在越来越小的高压汽车设计中防止电容器电弧放电

作者：REGGIE PHILLIPS高压产品经理KEMET 

混合动力或全电动汽车中的逆变器和充电系统提供了面临极端空间限制的高压应用的典型示例。当多层陶瓷电容器 (MLC) 用作高压线路上的滤波器时，小型化的压力可能会导致设计人员在可用的最小情况下选择器件，例如 0603。0603 芯片可节省 1206 占用的 75% 的电路板空间MLCC。然而，这些较小的外壳要求设备制造商在减小的封装体积内最大限度地提高电容并确保可靠性。

器件端子之间的较短距离将带来可靠性问题，因为爬电（电场在电介质表面上扩散的自然趋势）可能会导致电容器端子之间产生电弧（图 1） 。施加工作电压。这通常会导致电容器发生故障，并可能对附近的其他组件造成热损坏。诸如高大气湿度或组件表面污染等因素会进一步增加电弧的可能性。

图 1：白色条纹是 MLCC 端子之间的表面电弧。

飞弧现象分析

如图2所示，当向MLCC施加高压直流偏压时，电场集中在MLCC内的终端区域和相应的第一对电极中。电位差开始沿着芯片表面建立，一旦达到空气的电击穿，就会将其上方的空气电离。

图 2：电容器表面周围可能产生电弧的电气条件。

一旦达到电离空气的起始电压，就会产生导电路径，从而使终端区域集中电场中的能量得以释放。这种放电沿着电容器的表面穿过空气并到达较低电位的区域，而不是通过电容器。在放电过程中，芯片表面会出现可见和可听的电弧。

这种类型的电弧可能在施加的电压约为 300 V 时发生。对于某些高压电容器，这可能低于设备的额定电压。如果电弧发生在端接表面之间并通过陶瓷体的介电材料到达第一内部对电极，这通常会导致电容器的介电击穿，从而导致短路情况，从而导致灾难性故障。

防止电弧放电

电容器供应商已经尝试了多种方法来防止电弧放电。其中之一是沿芯片表面涂敷聚合物或玻璃涂层以填充任何空隙并提供光滑的表面，该表面对爬电的敏感性自然较低。

用绝缘材料填充这些空隙也有助于排除污染物并提高整个芯片表面的介电稳定性。提高这种稳定性会减少空气的电离并增加沿表面的起始电压。

几十年来，设计人员一直在高压应用中的 PCB 上使用表面涂层。该技术已被证明是有效的，但主要缺点是应用涂层的成本。除非认为绝对有必要满足特定的电气安全标准，否则设计人员将避免此类成本。另一个危险是在处理和组装过程中可能会损坏表面涂层。涂层中的缺口会降低爬电距离能力，并使电容器容易受到污染和电弧放电（图 3）。此外，在选择具有预涂涂层的设备时，重要的是要确保涂层材料与所有适用的组装材料、工艺和条件兼容。不相容性可能导致表面涂层过早失效。

还存在安装组件下方的气隙以及环氧树脂涂层中和下方的空隙的问题。这些间隙和空隙允许与未涂层设备相同的电弧电位。

图 3：涂层中的缺陷会使设备容易产生电弧。

串联电极

图 4所示的另一种技术是“串联电极”结构。该图的第一部分说明了如何将五个单独的 1,000-V 1,000-µF 电容器串联起来形成一个阵列，从而将击穿能力提高到 5,000 V，即使所经历的总电场与单个电容器的相同. 然而，一个很大的缺点是总电容降低到 200 µF。该图的第二部分显示了放置在单个单片结构中的整个电容器块，具有与五个系列器件相同的特性。

图 4：顶部 — 五个串联的独立电容器。底部——单片串联电极结构提高了击穿电压，但与单个电极一样，会降低电容。

包括 KEMET 在内的许多制造商已经在许多涵盖中低电容值的设备系列中实施了浮动电极或串联电容器技术。这些器件采用级联内部电极设计，可有效地在器件内形成多个串联电容器。虽然肯定会降低对表面电弧的敏感性，但这种类型的串联连接也是一种非常有效的柔性裂纹缓解技术，可降低电容器短路故障的风险。弯曲裂纹不能穿过电容器两端的电极。它只能穿过源自电容器一端的电极和浮动在有源区域之间的电极。即使裂缝通过其中一个活动区域传播，该器件可能会损失电容，但通常不会短路故障，因为连接到相对端子的电极之间没有导电通路。由于这个原因，浮动电极无法打开。

弧盾技术

ArcShield 电容器设计使用额外的内部屏蔽电极，如图5所示，它可以消除可能导致表面电弧的影响，而没有涂层或串联电极结构的缺点。在标准设计中，表面的电场非常靠近端子，而 ArcShield 设计具有更大的能量势垒，因为存在与端子极性相似的屏蔽电极。

图 5：屏蔽电极降低了电容器表面和第一反 电极区域的场强。

当向 ArcShield MLCC 施加高压偏压时，在相对端子和相对电极结构之间会产生电位差，但电场集中在屏蔽电极上，而不是在端子表面和相应的第一反电极上. 这最大限度地减少了沿芯片表面的电位差，并显着提高了爬电距离能力，即使在较小的情况下以及在电介质表面存在高孔隙率时也是如此。

图 6：ArcShield 电容器采用标准封装。

护盾效果回顾

标准重叠 X7R MLCC 易受三种基本高压故障机制的影响。这些是端子和最近的相反极性电极之间的电弧放电、端子之间的电弧放电和内部击穿。

ArcShield 陶瓷电容器通过添加屏蔽电极来解决这些故障机制，从而防止端子和任何附近的相对电极之间产生电弧。这些器件还包含更厚的有源区域，可有效提高击穿电压。

图 7：空气中的电压击穿测试（50 个），比较标准 1206 MLCC 与 ArcShield 版本。

将 ArcShield 技术应用于较小的外壳，例如 1206（图 6）和 0805 或 0603（表 1），可实现高压击穿和可靠的寿命测试性能。

表 1. 较小外壳尺寸 ArcShield MLCC 的性能数据。

结果表明，这些电容器可以承受远高于典型混合动力/EV 逆变器或电池充电电压的电压，表明 X7R 高压 MLCC 在小至 0603 的情况下可以安全使用。

审核编辑 黄昊宇