原標(biāo)題：如何為汽車(chē)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(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，而電容器起著關(guān)鍵作用。電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電器、變頻驅(qū)動(dòng)器 (VFD) 中的電磁干擾 (EMI) 濾波器、LED 驅(qū)動(dòng)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(gè)共同挑戰(zhàn)是采購(gòu)緊湊而堅(jiān)固的高壓 X1 和 X2 安全電容器用于線對(duì)線，以及用于線對(duì)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(jí)，工作溫度范圍為 ?40°C 至 +125°C，并符合國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 60384-14 和汽車(chē)電子委員會(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(lèi)，適用于在惡劣環(huán)境條件下需要高可靠性和延長(zhǎng)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(cè)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(lái)自 基美特 符合 IEC 60384-14 的要求，并通過(guò) 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(gè)與安全相關(guān)的功能。它們過(guò)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(lái)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(lèi)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(xiǎn)。X 電容器設(shè)計(jì)為在短路情況下失效，以觸發(fā)保險(xiǎn)絲或斷路器并關(guān)閉電源電壓以消除火災(zāi)危險(xiǎn)。Y 型電容器故障引起的火災(zāi)危險(xiǎn)非常低，因?yàn)檫@些電容器設(shè)計(jì)為在打開(kāi)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(duì)地干擾。(圖片來(lái)源：KEMET)

　　除了分類(lèi)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(duì)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(lèi)。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(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室(UL)1414，UL 1283，加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(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(lèi)別，根據(jù)其額定電壓和絕緣類(lèi)別定義 Y 電容器的子類(lèi)別。此外，還為不同的班級(jí)定義了不同形式的耐力測(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(guò) 2.5 且小于或等于 4.0 kV

　　Y 電容器子類(lèi)

　　Y4 電容器的額定電壓低于 150 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(duì) X 電容器進(jìn)行分類(lèi)的示例，按額定電壓和絕緣類(lèi)型對(duì) Y 電容器進(jìn)行分類(lèi)的示例。(表格來(lái)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(lèi)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(lèi)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(kāi)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(duì)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(lái)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(shí)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(huì)燒掉(清除)故障區(qū)域周?chē)碾姌O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(chēng)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(méi)有經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，優(yōu)化自愈會(huì)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(cè)試，如泰銖。

　　泰銖資質(zhì)

　　THB鑒定測(cè)試通常用于汽車(chē)，能源和工業(yè)應(yīng)用，以衡量組件的長(zhǎng)期可靠性。THB 測(cè)試可加速組件退化，并在指定的交流或直流偏置條件下測(cè)量定義時(shí)間段后的電氣參數(shù)。IEC 60384-14 AMD1：2016 定義了三個(gè) THB 等級(jí) I(A 和 B)、II(A 和 B)和 III(A 和 B)(表 3)。滿足最高等級(jí)IIIB的要求包括暴露在85°C和85%相對(duì)濕度下1，000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%

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

　　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(cè)試選擇。(表格來(lái)源：KEMET)

　　微型 X2 電容器

　　當(dāng)需要 X2 電容器時(shí)，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(shù)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(cè)試的 IIIB 類(lèi)等級(jí)。

　　例如，模型 R53BI31505000K 額定電壓為 800 伏直流 (VDC) 和 0.15 μF ±10%，型號(hào) 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(shù)脂封裝在符合 UL 可燃性要求的模制塑料外殼中。(圖片來(lái)源：KEMET)

　　X1/Y2 類(lèi)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(lèi)似，引線間距為 10 至 37.5 mm，體積小，具有 IIIB 級(jí) 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(shí)間為 2，000 小時(shí)。

　　R53B 和 R41B 安全電容器均適用于電動(dòng)汽車(chē)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(shí)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(shí)，可以使用簡(jiǎn)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(jiàn)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(huì)給小型元件(如微型聚丙烯薄膜電容器)帶來(lái)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)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(shí)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(lái)源：KEMET)

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

　　對(duì)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(guò)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(guò)粘合劑固化工藝或需要回流焊接，請(qǐng)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(shí)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(guò)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(jí) 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(jí)和低成本解決方案。