原標(biāo)題：如何為汽車和工業(yè)電源轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的微型EMI控制

　　確保設(shè)備和用戶的安全對設(shè)計(jì)人員來說至關(guān)重要，而電容器起著關(guān)鍵作用。電動汽車 (EV) 充電器、變頻驅(qū)動器 (VFD) 中的電磁干擾 (EMI) 濾波器、LED 驅(qū)動器以及電容式電源和電源轉(zhuǎn)換器等高能量密度應(yīng)用等系統(tǒng)中的組件尺寸、重量和可靠性也至關(guān)重要。

　　所有這些應(yīng)用中的一個共同挑戰(zhàn)是采購緊湊而堅(jiān)固的高壓 X1 和 X2 安全電容器用于線對線，以及用于線對地 EMI 濾波的 Y2 電容器，這些電容器的額定溫度/濕度/偏置 (THB) III 級，工作溫度范圍為 ?40°C 至 +125°C，并符合國際電工委員會 (IEC) 60384-14 和汽車電子委員會 (AEC) Q200 的要求。

　　為了滿足這些要求，設(shè)計(jì)人員可以使用微型聚丙烯薄膜X1、X2和Y2 EMI抑制安全電容器。它們符合 IEC 60384-14 的要求，符合 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)，并具有最高的 IEC 魯棒性分類，適用于在惡劣環(huán)境條件下需要高可靠性和延長使用壽命的應(yīng)用。這些微型自愈電容器比傳統(tǒng)的 X1、X2 和 Y2 安全電容器小得多，可實(shí)現(xiàn)更小的印刷電路板 (PC 板) 面積、更輕的重量和更低的成本。

　　本文回顧了安全電容器的電路應(yīng)用以及IEC 60384-14和AEC-Q200測試和環(huán)境要求。然后比較了 X2 聚丙烯薄膜電容器的并聯(lián)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)，并給出了適用于 Y2， X1和 X2 安全 應(yīng)用程序來自 基美特 符合 IEC 60384-14 的要求，并通過 AEC-Q200 認(rèn)證。還提供了焊接這些電容器的建議。

　　安全電容器的作用

　　安全電容器具有兩個與安全相關(guān)的功能。它們過濾和抑制到達(dá)配電網(wǎng)絡(luò)的噪聲，并保護(hù)設(shè)備免受雷擊、電機(jī)換向和其他來源引起的電壓尖峰的潛在損壞。它們還可以保護(hù)設(shè)備用戶免受潛在傷害。它們根據(jù)這兩種功能進(jìn)行分類和指定。

　　從線路到中性線的差模EMI由X電容處理。Y 型電容器可處理共模干擾(圖 1)。如果X電容器發(fā)生故障，則有可能著火。如果Y電容器發(fā)生故障，則存在觸電危險。X 電容器設(shè)計(jì)為在短路情況下失效，以觸發(fā)保險絲或斷路器并關(guān)閉電源電壓以消除火災(zāi)危險。Y 型電容器故障引起的火災(zāi)危險非常低，因?yàn)檫@些電容器設(shè)計(jì)為在打開條件下失效并保護(hù)用戶免受電擊。

　　圖 1：X 電容器(藍(lán)色)設(shè)計(jì)用于濾除線間干擾的 EMI，而 Y 電容器(橙色)用于濾除線對地干擾。(圖片來源：KEMET)

　　除了分類為“X”或“Y”外，EMI濾波電容器還由其額定工作電壓和可以處理的峰值脈沖電壓指定。對于Y電容器，它們根據(jù)它們是否具有基本絕緣或增強(qiáng)絕緣進(jìn)一步分類。已經(jīng)制定了許多適用于這些電容器的標(biāo)準(zhǔn)，包括IEC 60384-14，美國保險商實(shí)驗(yàn)室(UL)1414，UL 1283，加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(CSA)C22.2 No.1和CSA 384-14。IEC 60384-14 根據(jù)其峰值脈沖電壓定義 X 電容器的子類別，根據(jù)其額定電壓和絕緣類別定義 Y 電容器的子類別。此外，還為不同的班級定義了不同形式的耐力測試。X1、X2 和 Y2 是最常用的安全電容器(表 1)：

　　X 電容器子類

　　X3 電容器的峰值電壓脈沖額定值小于或等于 1.2 kV。

　　X2 電容器的峰值電壓脈沖額定值小于或等于 2.5 kV

　　X1 電容器的峰值電壓脈沖額定值超過 2.5 且小于或等于 4.0 kV

　　Y 電容器子類

　　Y4 電容器的額定電壓低于 150 伏交流電 (V交流)

　　Y3 電容器的額定電壓為 150 至 250 V交流

　　Y2 電容器的額定電壓為 150 至 500 V交流 和基本絕緣

　　Y1 電容器的額定電壓高達(dá) 500 V交流 和雙重絕緣

　　表 1：IEC 60384-14 按峰值脈沖電壓對 X 電容器進(jìn)行分類的示例，按額定電壓和絕緣類型對 Y 電容器進(jìn)行分類的示例。(表格來源：KEMET)

　　安全電容器替代品

　　由于它們具有不同的額定電壓和不同的性能能力，只有某些類型的X和Y電容器可以用作具有相同或更高額定電壓的其他類型的電容器的替代品。例如，Y1電容器具有相同的額定電壓和更高的絕緣額定值，可用作Y2電容器的替代品。Y 電容器設(shè)計(jì)為失效開放，可用于代替 X 電容器。但 X 電容器設(shè)計(jì)為失效短路，不能替代 Y 電容器(表 2)。雖然X電容器可以充分濾除EMI，但它不支持Y電容器的線對地安全標(biāo)準(zhǔn)。

　　表 2：某些 Y 電容器可用于 X 電容器，但 X 電容器不能替代 Y 電容器。(表格來源：KEMET)

　　自我修復(fù)

　　自愈是指金屬化電容器從介電擊穿引起的瞬時短路中恢復(fù)并快速再生的能力。聚丙烯被認(rèn)為是自我修復(fù)方面的最佳材料。聚丙烯的高表面氧含量會燒掉(清除)故障區(qū)域周圍的電極材料。一旦故障清除，電容損失微不足道，電容器的其他電氣性能恢復(fù)到標(biāo)稱值。除了使用聚丙烯薄膜外，金屬化材料及其厚度是自我修復(fù)的重要因素。如果電容器沒有經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，優(yōu)化自愈會使它們更容易受到極端環(huán)境條件的影響。因此，他們受益于更高水平的資格測試，如泰銖。

　　泰銖資質(zhì)

　　THB鑒定測試通常用于汽車，能源和工業(yè)應(yīng)用，以衡量組件的長期可靠性。THB 測試可加速組件退化，并在指定的交流或直流偏置條件下測量定義時間段后的電氣參數(shù)。IEC 60384-14 AMD1：2016 定義了三個 THB 等級 I(A 和 B)、II(A 和 B)和 III(A 和 B)(表 3)。滿足最高等級IIIB的要求包括暴露在85°C和85%相對濕度下1，000小時。為了通過測試，薄膜電容器必須證明：

　　電容變化≤ 10%

　　耗散因數(shù)變化(?tan δ)≤ 150 * 10?4 (對于額定值為 > 1 微法拉 (μF) 的電容器，在 1 千赫茲 (kHz) 時)

　　耗散因數(shù)變化(?tan δ)≤ 240 * 10?4 (額定值為 ≤ 1 μF 的電容器為 10 kHz)

　　絕緣電阻≥初始極限的 50% 或最小 200 兆歐 (MΩ)

　　表3：最新版本的IEC 60384-14包括六種THB測試選擇。(表格來源：KEMET)

　　微型 X2 電容器

　　當(dāng)需要 X2 電容器時，設(shè)計(jì)人員可以求助于 KEMET 的 R53B系列 徑向聚丙烯薄膜電容器，電容值為 0.1 至 22 μF，并用自熄性樹脂封裝在符合 UL 94 V-0 可燃性要求的模制塑料外殼中(圖 2)。這些微型電容器的引線間距為 15 至 37.5 毫米 (mm)，平均體積比標(biāo)準(zhǔn) X2 電容器小 60%，從而實(shí)現(xiàn)更小、更輕的解決方案。這些電容器具有 AEC-Q200 認(rèn)證和 IEC 60384-14 THB 測試的 IIIB 類等級。

　　例如，模型 R53BI31505000K 額定電壓為 800 伏直流 (VDC) 和 0.15 μF ±10%，型號 R53BI322050S0M 額定電壓為 800 VDC 和 0.22 μF ±20%。

　　圖 2：R53B X2 電容器用自熄性樹脂封裝在符合 UL 可燃性要求的模制塑料外殼中。(圖片來源：KEMET)

　　X1/Y2 類安全電容器

　　這 R41B KEMET 的 X1/Y2 系列安全電容器的電容范圍為 0.0022 至 1.2 μF，額定電壓高達(dá) 1，500 VDC，容差為 ±20% 或 ±10%。R41B 電容器的封裝與 R53B 器件類似，引線間距為 10 至 37.5 mm，體積小，具有 IIIB 級 THB 性能。R41B 電容器，如 R41BF122050T0K (2200 皮法 (pF) 和 1，500 VDC)在 125°C 下的額定工作時間為 2，000 小時。

　　R53B 和 R41B 安全電容器均適用于電動汽車車載充電器、風(fēng)能和太陽能電源轉(zhuǎn)換器、VFD 和其他工業(yè)應(yīng)用，以及基于 SiC 和 GaN 的功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。

　　焊接要求

　　金屬化聚丙烯薄膜安全電容器具有電氣和環(huán)境堅(jiān)固性，可提供高水平的操作員保護(hù)，但在焊接到印刷電路板時需要特別注意。聚丙烯的熔點(diǎn)在160°C至170°C之間。 當(dāng)與液相線溫度為 183°C 的傳統(tǒng)錫鉛 (SnPb) 焊料一起使用時，可以使用簡單的技術(shù)將這些電容器可靠地連接到印刷電路板上。

　　RoHS指令和組件小型化相結(jié)合，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。新合金的常見焊接溫度為217°C至221°C，導(dǎo)致組件上的熱應(yīng)力增加，從而可能降解或永久損壞它們。較高的預(yù)熱和波峰焊溫度會給小型元件(如微型聚丙烯薄膜電容器)帶來破壞性的熱條件。KEMET 建議用戶在使用聚丙烯薄膜安全電容器時實(shí)施 IEC 61760-1 第 2 版中的波峰焊曲線(圖 3)。

　　圖 3：為防止在焊接聚丙烯薄膜安全電容器時出現(xiàn)熱損壞，KEMET 建議用戶采用 IEC 61760-1 第 2 版中的波峰焊曲線。(圖片來源：KEMET)

　　當(dāng)需要手動焊接時，KEMET 建議將烙鐵尖端的溫度設(shè)置為 350°C(+10°C)。手動焊接應(yīng)限制在 3 秒或更短時間內(nèi)，以避免損壞組件。

　　對于通孔聚丙烯薄膜電容器，不建議使用典型的回流焊接。KEMET 還建議，這些電容器不應(yīng)通過用于連接表面貼裝元件的粘合劑固化爐發(fā)送。電容器應(yīng)在表面貼裝部件的粘合劑固化后添加到印刷電路板上。如果通孔組件必須通過粘合劑固化工藝或需要回流焊接，請咨詢工廠以獲取有關(guān)允許的烤箱溫度曲線的詳細(xì)信息。

　　結(jié)論

　　設(shè)計(jì)人員需要確保設(shè)備和用戶安全，同時滿足關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求。X 和 Y 安全電容器用于保護(hù)設(shè)備免受過度 EMI 的影響，并保護(hù)用戶免受傷害。使用 KEMET 堅(jiān)固可靠的小型化聚丙烯金屬薄膜安全電容器，設(shè)計(jì)人員可以滿足 IEC 60384-14 IIIB 級 HTB 要求，并符合 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)。這些電容器支持一系列工業(yè)、EV 和 WBG 功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中的緊湊、輕量級和低成本解決方案。