如何為汽車(chē)和工業(yè)電源轉(zhuǎn)換器實(shí)施穩(wěn)健的小型 EMI 控制解決方案

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

確保設(shè)備和用戶的安全對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，而電容器則發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在諸如電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電器、變頻器 (VFD) 的電磁干擾 (EMI) 過(guò)濾器、LED 驅(qū)動(dòng)器等系統(tǒng)中，以及諸如電容式電源和電源轉(zhuǎn)換器等高能量密度應(yīng)用中，元器件尺寸、重量和可靠性同樣具有舉足輕重的作用。

所有這些應(yīng)用面臨共同的挑戰(zhàn)是采購(gòu)用于線對(duì)線的緊湊堅(jiān)固型高壓 X1 和 X2 安全電容器、用于線對(duì)地 EMI 濾波的 Y2 電容器，這些器件的額定溫度/濕度/偏壓 (THB) 等級(jí)為 IIIB，可在 -40°C 至+125°C 之間運(yùn)行，并且符合國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 60384-14 和汽車(chē)電子理事會(huì) (AEC) Q200 的要求。

為了滿足這些要求，設(shè)計(jì)人員可以使用小型聚丙烯薄膜 X1、X2 和 Y2 的 EMI 抑制安全電容器。這些產(chǎn)品符合 IEC 60384-14 要求，獲得了 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證且具有最高的 IEC 穩(wěn)健性分類(lèi)，適用于在惡劣環(huán)境條件下要求高可靠性和更長(zhǎng)壽命的應(yīng)用。這類(lèi)小型自愈式電容器比傳統(tǒng) X1、X2 和 Y2 安全電容器要小得多，可以縮小印刷電路板（PC 板）面積，減小重量和成本。

本文將回顧安全電容器的電路應(yīng)用，以及 IEC 60384-14 和 AEC-Q200 測(cè)試和環(huán)境要求。然后比較 X2 聚丙烯薄膜電容器的并聯(lián)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)，并舉例介紹 [KEMET]適合 [Y2、X1] 和 [X2 安全]應(yīng)用的小型電容器，這些電容器符合 IEC 60384-14的要求，獲得了 AEC-Q200 認(rèn)證。本文還給出了這類(lèi)電容器的焊接建議。

安全電容器的作用

安全電容器有兩個(gè)與安全有關(guān)的功能。安全濾波器過(guò)濾、抑制到達(dá)配電網(wǎng)的噪聲，并保護(hù)設(shè)備免受由雷電、電機(jī)換向和其他源頭引起的電壓尖峰的潛在損害。安全電容器還能保護(hù)設(shè)備用戶免受潛在的傷害。安全電容器是根據(jù)這兩種功能來(lái)分類(lèi)和定義的。

從線路到中性點(diǎn)的差模 EMI 由 X 電容處理。Y 電容器處理共模干擾（圖 1）。如果 X 電容器發(fā)生故障，就有可能發(fā)生火災(zāi)。如果 Y 電容器發(fā)生故障，有可能造成用戶觸電。X 電容器采用短路情況下失效的設(shè)計(jì)，以觸發(fā)保險(xiǎn)絲或斷路器并切斷電源電壓，從而消除火災(zāi)危險(xiǎn)。Y 電容器故障造成火災(zāi)危險(xiǎn)的可能性非常低，因?yàn)檫@些電容器采用開(kāi)路情況下失效的設(shè)計(jì)，以防觸電。

圖 1：X 電容（藍(lán)色）用于過(guò)濾線對(duì)線干擾的 EMI，而 Y 電容（橙色）用于過(guò)濾線對(duì)地干擾。（圖片來(lái)源：KEMET）

除了分為“X”或者“Y”類(lèi)外，EMI 濾波電容器可按照額定工作電壓及其峰值脈沖電壓處理能力進(jìn)行指定。在 Y 型電容器的情況下，還可按其是否具有基本絕緣或強(qiáng)化絕緣進(jìn)一步分類(lèi)。目前有許多適用這些電容器的標(biāo)準(zhǔn)，包括 IEC 60384-14、Underwriters Laboratories (UL) 1414、UL 1283、加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (CSA) C22.2 No.1 以及 CSA 384-14。IEC 60384-14 按峰值脈沖電壓定義了 X 電容器的子類(lèi)，按額定電壓和絕緣類(lèi)別定義了 Y 電容器。此外，還為不同的等級(jí)規(guī)定了不同形式的耐久性測(cè)試。X1、X2 和 Y2 是最常用的安全電容器（表 1）。

• X 電容器子類(lèi)
  • X3 電容器的峰值電壓脈沖等級(jí)小于或等于 1.2 kV
  • X2 電容器的峰值電壓脈沖等級(jí)小于或等于 2.5 kV
  • X1 電容器的峰值電壓脈沖等級(jí)超過(guò) 2.5 kv，小于或等于 4.0 kV
• Y 電容器子類(lèi)
  • Y4 電容器的額定電壓低于 150 VAC
  • Y3 電容器的額定電壓為 150 V 至 250 VAC
  • Y2 電容器的額定電壓從 150 V 至 500 V AC ，具有基本絕緣
  • Y1 電容器的額定電壓高達(dá) 500 V AC ，具有雙重絕緣

表 1：IEC 60384-14 標(biāo)準(zhǔn)下，X 電容器按峰值脈沖電壓分類(lèi)的示例和 Y 電容器按額定電壓和絕緣類(lèi)型分類(lèi)的示例。（表格來(lái)源：KEMET）

安全電容器的替代品

由于具有不同的額定電壓和不同的運(yùn)行能力，只有某些類(lèi)型的 X 和 Y 電容器可以用來(lái)替代其他具有相同或更高額定電壓的電容器。例如，Y1 電容器具有相同的電壓等級(jí)，但絕緣等級(jí)較高，可以作為 Y2 電容器的替代品使用。Y 電容器采用故障開(kāi)路設(shè)計(jì)，可用來(lái)代替 X 電容器。但 X 電容器為了故障短路而設(shè)計(jì)，不能替代 Y 電容器（表 2）。雖然 X 電容器可以充分過(guò)濾 EMI，但不符合 Y 電容器的線對(duì)地安全標(biāo)準(zhǔn)。

| | | 類(lèi)型替代 |
| ---- | --------------- |
| X1 | Y1 或 Y2 |
| X2 | X1、Y1、或 Y2 |
| Y2 | Y1 |
| Y1 | 無(wú) |

表 2：某些 Y 電容器可以用作 X 電容器，但 X 電容器不能替代 Y 電容器。（表格來(lái)源：KEMET）

自愈

自愈能力是指金屬化電容器從暴露于電介質(zhì)擊穿造成的瞬間短路中恢復(fù)并迅速再生的能力。聚丙烯被認(rèn)為是自愈方面的最佳材料。聚丙烯的表面含氧量高，可以燒掉（清除）故障區(qū)域周?chē)碾姌O材料。故障清除后，會(huì)有一些不明顯的電容損失，而電容器的其他電氣特性也會(huì)恢復(fù)到額定值。除了使用聚丙烯薄膜外，金屬化材料及其厚度也是自愈的重要因素。如果電容器未經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，針對(duì)自愈的優(yōu)化會(huì)使其更容易受到極端環(huán)境條件的影響。因此，如 THB 等更高水平的合格性測(cè)試會(huì)有益于這些電容器。

THB 合格性

THB 合格性測(cè)試通常適用于汽車(chē)、能源和工業(yè)應(yīng)用，用于衡量其部件的長(zhǎng)期可靠性。THB 測(cè)試加速了元件退化，并在規(guī)定的交流或直流偏置條件下、在規(guī)定的時(shí)間后測(cè)量電氣參數(shù)。IEC 60384-14、AMD1:2016 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三個(gè) THB 等級(jí)（A 和 B）、II（A 和 B）和 III（A 和 B）（表 3）。要滿足最高級(jí) (IIIB) 要求，包括在 85°C 和 85% RH 下暴露 1000 小時(shí)。為了通過(guò)測(cè)試，薄膜電容器必須證明：

• 電容變化 ≤10%
• 耗散系數(shù)變化 (Δtan δ) ≤ 150*10 ^-4^ （在 1 kHz 時(shí)，對(duì)于額定值大于 1 μF 的電容器）
• 耗散系數(shù)變化 (Δtan δ) ≤ 240*10 ^-4^ （在 10 kHz 時(shí)，對(duì)于額定值大于 ≤ 1 μF 的電容器）
• 絕緣電阻 ≥ 初始極限的 50% 或至少 200 MΩ。

| | 等級(jí) | 測(cè)試條件 A | 測(cè)試條件 B |
| ------ | ----------------------- | ---------------------------- |
| I | +40°C / 93% RH
21 天 | +85°C / 85% RH
168 小時(shí) |
| II | +40°C / 93% RH
56 天 | +85°C / 85% RH
500 小時(shí) |
| I | +60°C / 93% RH
56 天 | +85°C / 85% RH
1,000 小時(shí) |

表 3：最新版 IEC 60384-14 標(biāo)準(zhǔn)給出了 THB 測(cè)試的六個(gè)選擇。（表格來(lái)源：KEMET）

小型 X2 電容器

當(dāng)需要 X2 電容器時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以采用 KEMET 的 [R53B 系列]徑向聚丙烯薄膜電容器，其電容范圍為 0.1 - 22 μF，并在符合 UL 94 V-0 可燃性要求的模塑殼中采用自熄性樹(shù)脂進(jìn)行封裝（圖 2）。這種小型電容器的引線間距為 15 - 37.5 mm，平均而言，其體積比標(biāo)準(zhǔn) X2 電容器小 60%，是一種更小更輕的解決方案。這種電容器符合 AEC-Q200 要求，在 IEC 60384-14 THB 測(cè)試中達(dá)到了 IIIB 級(jí)。

例如，[R53BI31505000K] 的額定電壓為 800 VDC，電容為 0.15 μF ±10%，而 [R53BI322050S0M] 的額定電壓為 800 VDC，電容為 0.22μF ±20%。

圖 2：R53B X2 電容器采用自熄性樹(shù)脂封裝和符合 UL 可燃性要求的模塑外殼。（圖片來(lái)源：KEMET）

X1/Y2 安全電容器

KEMET R41B 系列 X1/Y2 安全電容器的電容值范圍為 0.0022 - 1.2 μF，額定電壓高達(dá) 1,500 VDC，公差為 ±20% 或 ±10%。R41B 電容器的封裝與 R53B 電容器類(lèi)似，其引線間距為 10 - 37.5 mm，體積小且具有 IIIB 級(jí) THB 性能。像 [R41BF122050T0K]（2200pF)、1500VDC）這樣的 R41B 電容器，在 125°C 下的額定工作時(shí)間為 2000 小時(shí)。

R53B 和 R41B 安全電容器都適用于電動(dòng)汽車(chē)的車(chē)載充電器、風(fēng)能和太陽(yáng)能電源轉(zhuǎn)換器、VFD 和其他工業(yè)應(yīng)用，以及基于 SiC 和 GaN 的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。

焊接要求

金屬化聚丙烯薄膜安全電容器在電氣和環(huán)境方面都非常穩(wěn)健，并能為操作者提供高水平保護(hù)，但在 PC 板上焊接時(shí)需要特別注意。聚丙烯的熔點(diǎn)在 160℃ 和 170℃ 之間。當(dāng)使用液態(tài)溫度為 183°C 的傳統(tǒng)錫鉛 (SnPb) 焊料時(shí)，可采用一些簡(jiǎn)單的技術(shù)將這些電容器牢固地焊接到電路板上。

RoHS 指令要求以及元件小型化，使聚丙烯薄膜電容器的焊接變得更加復(fù)雜。該指令要求使用錫銀銅 (SnAgCu) 或錫銅 (SnCu) 合金。新合金的常見(jiàn)焊接溫度為 217°C 至 221°C，會(huì)導(dǎo)致元件上的熱應(yīng)力增加，可能使其性能退化或永久損壞。較高的預(yù)熱和波峰焊溫度會(huì)給小型聚丙烯薄膜電容器等小型元件造成破壞性的熱條件。KEMET 建議用戶在使用聚丙烯薄膜安全電容器時(shí)，執(zhí)行 IEC 61760-1 第 2 板的波峰焊曲線（圖 3）。

圖 3：為了防止在焊接聚丙烯薄膜安全電容器時(shí)出現(xiàn)熱損傷，KEMET 建議用戶按照 IEC 61760-1 第 2 版中的波峰焊曲線進(jìn)行操作。（圖片來(lái)源：KEMET）

當(dāng)需要手動(dòng)焊接時(shí)，KEMET 建議將烙鐵頭的溫度設(shè)定為 350°C（最高 +10°C）。手動(dòng)焊接應(yīng)限制為 3 秒或更短的時(shí)間，以免損壞元件。

對(duì)于通孔式聚丙烯薄膜電容器，則不建議采用典型的回流焊接法。KEMET 還建議，不應(yīng)將這些電容器放入用于連接表面貼裝元件的粘合劑固化爐。電容器應(yīng)在表面貼裝部件的粘合劑固化后再添加到印刷電路板上。如果需要通孔元件參與粘合劑固化過(guò)程或者進(jìn)行回流焊接，請(qǐng)就詳細(xì)的烤箱允許溫度曲線咨詢廠家。

結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)人員需要在滿足關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，確保設(shè)備和用戶安全。X 和 Y 安全電容器用于保護(hù)設(shè)備免受過(guò)多的電磁干擾，保護(hù)用戶免受傷害。使用 KEMET 堅(jiān)固可靠的小型化聚丙烯金屬化薄膜安全電容器，設(shè)計(jì)人員可以滿足 IEC 60384-14 IIIB 級(jí) HTB 和 AEC-Q200 的要求。這些電容器支持一系列工業(yè)、電動(dòng)汽車(chē)和 WBG 電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中的緊湊、輕量和低成本解決方案。