如何为汽车和工业电源转换器实施稳健的小型 EMI 控制解决方案

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

确保设备和用户的安全对设计人员来说至关重要，而电容器则发挥着关键作用。在诸如电动汽车 (EV) 充电器、变频器 (VFD) 的电磁干扰 (EMI) 过滤器、LED 驱动器等系统中，以及诸如电容式电源和电源转换器等高能量密度应用中，元器件尺寸、重量和可靠性同样具有举足轻重的作用。

所有这些应用面临共同的挑战是采购用于线对线的紧凑坚固型高压 X1 和 X2 安全电容器、用于线对地 EMI 滤波的 Y2 电容器，这些器件的额定温度/湿度/偏压 (THB) 等级为 IIIB，可在 -40°C 至+125°C 之间运行，并且符合国际电工委员会 (IEC) 60384-14 和汽车电子理事会 (AEC) Q200 的要求。

为了满足这些要求，设计人员可以使用小型聚丙烯薄膜 X1、X2 和 Y2 的 EMI 抑制安全电容器。这些产品符合 IEC 60384-14 要求，获得了 AEC-Q200 标准认证且具有最高的 IEC 稳健性分类，适用于在恶劣环境条件下要求高可靠性和更长寿命的应用。这类小型自愈式电容器比传统 X1、X2 和 Y2 安全电容器要小得多，可以缩小印刷电路板（PC 板）面积，减小重量和成本。

本文将回顾安全电容器的电路应用，以及 IEC 60384-14 和 AEC-Q200 测试和环境要求。然后比较 X2 聚丙烯薄膜电容器的并联和串联结构，并举例介绍 [KEMET]适合 [Y2、X1] 和 [X2 安全]应用的小型电容器，这些电容器符合 IEC 60384-14的要求，获得了 AEC-Q200 认证。本文还给出了这类电容器的焊接建议。

安全电容器的作用

安全电容器有两个与安全有关的功能。安全滤波器过滤、抑制到达配电网的噪声，并保护设备免受由雷电、电机换向和其他源头引起的电压尖峰的潜在损害。安全电容器还能保护设备用户免受潜在的伤害。安全电容器是根据这两种功能来分类和定义的。

从线路到中性点的差模 EMI 由 X 电容处理。Y 电容器处理共模干扰（图 1）。如果 X 电容器发生故障，就有可能发生火灾。如果 Y 电容器发生故障，有可能造成用户触电。X 电容器采用短路情况下失效的设计，以触发保险丝或断路器并切断电源电压，从而消除火灾危险。Y 电容器故障造成火灾危险的可能性非常低，因为这些电容器采用开路情况下失效的设计，以防触电。

图 1：X 电容（蓝色）用于过滤线对线干扰的 EMI，而 Y 电容（橙色）用于过滤线对地干扰。（图片来源：KEMET）

除了分为“X”或者“Y”类外，EMI 滤波电容器可按照额定工作电压及其峰值脉冲电压处理能力进行指定。在 Y 型电容器的情况下，还可按其是否具有基本绝缘或强化绝缘进一步分类。目前有许多适用这些电容器的标准，包括 IEC 60384-14、Underwriters Laboratories (UL) 1414、UL 1283、加拿大标准协会 (CSA) C22.2 No.1 以及 CSA 384-14。IEC 60384-14 按峰值脉冲电压定义了 X 电容器的子类，按额定电压和绝缘类别定义了 Y 电容器。此外，还为不同的等级规定了不同形式的耐久性测试。X1、X2 和 Y2 是最常用的安全电容器（表 1）。

• X 电容器子类
  • X3 电容器的峰值电压脉冲等级小于或等于 1.2 kV
  • X2 电容器的峰值电压脉冲等级小于或等于 2.5 kV
  • X1 电容器的峰值电压脉冲等级超过 2.5 kv，小于或等于 4.0 kV
• Y 电容器子类
  • Y4 电容器的额定电压低于 150 VAC
  • Y3 电容器的额定电压为 150 V 至 250 VAC
  • Y2 电容器的额定电压从 150 V 至 500 V AC ，具有基本绝缘
  • Y1 电容器的额定电压高达 500 V AC ，具有双重绝缘

表 1：IEC 60384-14 标准下，X 电容器按峰值脉冲电压分类的示例和 Y 电容器按额定电压和绝缘类型分类的示例。（表格来源：KEMET）

安全电容器的替代品

由于具有不同的额定电压和不同的运行能力，只有某些类型的 X 和 Y 电容器可以用来替代其他具有相同或更高额定电压的电容器。例如，Y1 电容器具有相同的电压等级，但绝缘等级较高，可以作为 Y2 电容器的替代品使用。Y 电容器采用故障开路设计，可用来代替 X 电容器。但 X 电容器为了故障短路而设计，不能替代 Y 电容器（表 2）。虽然 X 电容器可以充分过滤 EMI，但不符合 Y 电容器的线对地安全标准。

| | | 类型替代 |
| ---- | --------------- |
| X1 | Y1 或 Y2 |
| X2 | X1、Y1、或 Y2 |
| Y2 | Y1 |
| Y1 | 无 |

表 2：某些 Y 电容器可以用作 X 电容器，但 X 电容器不能替代 Y 电容器。（表格来源：KEMET）

自愈

自愈能力是指金属化电容器从暴露于电介质击穿造成的瞬间短路中恢复并迅速再生的能力。聚丙烯被认为是自愈方面的最佳材料。聚丙烯的表面含氧量高，可以烧掉（清除）故障区域周围的电极材料。故障清除后，会有一些不明显的电容损失，而电容器的其他电气特性也会恢复到额定值。除了使用聚丙烯薄膜外，金属化材料及其厚度也是自愈的重要因素。如果电容器未经过精心设计，针对自愈的优化会使其更容易受到极端环境条件的影响。因此，如 THB 等更高水平的合格性测试会有益于这些电容器。

THB 合格性

THB 合格性测试通常适用于汽车、能源和工业应用，用于衡量其部件的长期可靠性。THB 测试加速了元件退化，并在规定的交流或直流偏置条件下、在规定的时间后测量电气参数。IEC 60384-14、AMD1:2016 标准规定了三个 THB 等级（A 和 B）、II（A 和 B）和 III（A 和 B）（表 3）。要满足最高级 (IIIB) 要求，包括在 85°C 和 85% RH 下暴露 1000 小时。为了通过测试，薄膜电容器必须证明：

• 电容变化 ≤10%
• 耗散系数变化 (Δtan δ) ≤ 150*10 ^-4^ （在 1 kHz 时，对于额定值大于 1 μF 的电容器）
• 耗散系数变化 (Δtan δ) ≤ 240*10 ^-4^ （在 10 kHz 时，对于额定值大于 ≤ 1 µF 的电容器）
• 绝缘电阻 ≥ 初始极限的 50% 或至少 200 MΩ。

| | 等级 | 测试条件 A | 测试条件 B |
| ------ | ----------------------- | ---------------------------- |
| I | +40°C / 93% RH
21 天 | +85°C / 85% RH
168 小时 |
| II | +40°C / 93% RH
56 天 | +85°C / 85% RH
500 小时 |
| I | +60°C / 93% RH
56 天 | +85°C / 85% RH
1,000 小时 |

表 3：最新版 IEC 60384-14 标准给出了 THB 测试的六个选择。（表格来源：KEMET）

小型 X2 电容器

当需要 X2 电容器时，设计人员可以采用 KEMET 的 [R53B 系列]径向聚丙烯薄膜电容器，其电容范围为 0.1 - 22 µF，并在符合 UL 94 V-0 可燃性要求的模塑壳中采用自熄性树脂进行封装（图 2）。这种小型电容器的引线间距为 15 - 37.5 mm，平均而言，其体积比标准 X2 电容器小 60%，是一种更小更轻的解决方案。这种电容器符合 AEC-Q200 要求，在 IEC 60384-14 THB 测试中达到了 IIIB 级。

例如，[R53BI31505000K] 的额定电压为 800 VDC，电容为 0.15 μF ±10%，而 [R53BI322050S0M] 的额定电压为 800 VDC，电容为 0.22μF ±20%。

图 2：R53B X2 电容器采用自熄性树脂封装和符合 UL 可燃性要求的模塑外壳。（图片来源：KEMET）

X1/Y2 安全电容器

KEMET R41B 系列 X1/Y2 安全电容器的电容值范围为 0.0022 - 1.2 μF，额定电压高达 1,500 VDC，公差为 ±20% 或 ±10%。R41B 电容器的封装与 R53B 电容器类似，其引线间距为 10 - 37.5 mm，体积小且具有 IIIB 级 THB 性能。像 [R41BF122050T0K]（2200pF)、1500VDC）这样的 R41B 电容器，在 125°C 下的额定工作时间为 2000 小时。

R53B 和 R41B 安全电容器都适用于电动汽车的车载充电器、风能和太阳能电源转换器、VFD 和其他工业应用，以及基于 SiC 和 GaN 的电源转换器设计。

焊接要求

金属化聚丙烯薄膜安全电容器在电气和环境方面都非常稳健，并能为操作者提供高水平保护，但在 PC 板上焊接时需要特别注意。聚丙烯的熔点在 160℃ 和 170℃ 之间。当使用液态温度为 183°C 的传统锡铅 (SnPb) 焊料时，可采用一些简单的技术将这些电容器牢固地焊接到电路板上。

RoHS 指令要求以及元件小型化，使聚丙烯薄膜电容器的焊接变得更加复杂。该指令要求使用锡银铜 (SnAgCu) 或锡铜 (SnCu) 合金。新合金的常见焊接温度为 217°C 至 221°C，会导致元件上的热应力增加，可能使其性能退化或永久损坏。较高的预热和波峰焊温度会给小型聚丙烯薄膜电容器等小型元件造成破坏性的热条件。KEMET 建议用户在使用聚丙烯薄膜安全电容器时，执行 IEC 61760-1 第 2 板的波峰焊曲线（图 3）。

图 3：为了防止在焊接聚丙烯薄膜安全电容器时出现热损伤，KEMET 建议用户按照 IEC 61760-1 第 2 版中的波峰焊曲线进行操作。（图片来源：KEMET）

当需要手动焊接时，KEMET 建议将烙铁头的温度设定为 350°C（最高 +10°C）。手动焊接应限制为 3 秒或更短的时间，以免损坏元件。

对于通孔式聚丙烯薄膜电容器，则不建议采用典型的回流焊接法。KEMET 还建议，不应将这些电容器放入用于连接表面贴装元件的粘合剂固化炉。电容器应在表面贴装部件的粘合剂固化后再添加到印刷电路板上。如果需要通孔元件参与粘合剂固化过程或者进行回流焊接，请就详细的烤箱允许温度曲线咨询厂家。

结语

设计人员需要在满足关键的设计要求的同时，确保设备和用户安全。X 和 Y 安全电容器用于保护设备免受过多的电磁干扰，保护用户免受伤害。使用 KEMET 坚固可靠的小型化聚丙烯金属化薄膜安全电容器，设计人员可以满足 IEC 60384-14 IIIB 级 HTB 和 AEC-Q200 的要求。这些电容器支持一系列工业、电动汽车和 WBG 电源转换器应用中的紧凑、轻量和低成本解决方案。