Предотвращение конденсации конденсатора во все меньших высоковольтных автомобильных конструкциях

Принцип работы более современной и сложной сушильной машины (June 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Погрешность может обеспечивать дугу между клеммами

ПО РЕГИГИ ФИЛИППАМ
Высоковольтный менеджер продукта
KEMET
www.kemet.com

Инверторы и зарядные системы в гибридных или полностью электрических транспортных средствах являются актуальным примером приложения высокого напряжения, которое сталкивается с экстремальными ограничениями пространства. Когда многослойные керамические конденсаторы (MLC) используются в качестве фильтров по высоковольтным линиям, давление на миниатюризацию может привести к тому, что дизайнеры смогут выбирать устройства в самых маленьких доступных случаях, например 0603. Чип 0603 экономит 75% площади платы, занимаемой 1206 MLCC. Однако эти меньшие случаи позволяют производителям устройств максимизировать емкость в пределах уменьшенного объема упаковки и обеспечивать надежность.
Более короткое расстояние между терминалами устройства приведет к проблемам надежности из-за большего риска того, что утечка - естественная склонность электрического поля к разбросу по поверхности диэлектрика - может обеспечить дугу между клеммами конденсатора ( рис.1 ), когда полная рабочее напряжение. Обычно это приводит к отказу конденсатора и может вызвать термический ущерб другим соседним компонентам. Такие факторы, как высокая влажность воздуха или загрязнение поверхности компонента, еще больше повышают вероятность возникновения дуги.

Рисунок 1: Белая полоса представляет собой поверхностную дугу между окончаниями MLCC.

Анализ явления дуги

Когда высоковольтное смещение постоянного тока применяется к MLCC, концентрация электрического поля локализуется в области оконечности и соответствующем первом противоэлектроде в MLCC, как показано на фиг.2 . Разница в потенциале начинает строиться вдоль поверхности чипа, ионизируя воздух над ним, как только будет достигнут электрический пробой воздуха.

Рисунок 2: Электрические условия вокруг поверхности конденсатора, которые могут допускать образование дуги.

После достижения начального напряжения ионизированного воздуха создается проводящий путь, позволяющий разряжать энергию в концентрированном электрическом поле зоны окончания. Этот разряд проходит по воздуху вдоль поверхности конденсатора и на область с более низким потенциалом, а не через конденсатор. Во время разрядки на поверхности чипа имеется видимая и слышимая электрическая дуга.
Этот тип дуги может возникать при приложенных напряжениях около 300 В. Для некоторых высоковольтных конденсаторов это может быть ниже номинального напряжения устройства. Если дуга возникает между поверхностью торможения и через диэлектрический материал керамического тела на первый внутренний противоэлектрод, это обычно вызывает диэлектрический пробой конденсатора, что приводит к условию короткого замыкания, которое приводит к катастрофическому сбою.

Предотвращение дуги

Поставщики конденсаторов пробовали ряд подходов для предотвращения возникновения дуги. Одним из них является нанесение полимерного или стеклянного покрытия вдоль поверхности чипа для заполнения любых пустот и обеспечения гладкой поверхности, которая имеет естественную более низкую восприимчивость к ползучести.
Заполнение этих пустот изолирующим материалом также помогает исключить загрязняющие вещества и улучшает диэлектрическую прочность на поверхности чипа. Улучшение этой стабильности уменьшает ионизацию воздуха и увеличивает начальное напряжение вдоль поверхности.
Дизайнеры в течение десятилетий использовали поверхностные покрытия на печатных платах в высоковольтных приложениях. Эта технология доказала свою эффективность, но с основным недостатком затрат на нанесение покрытия. Дизайнеры избегут таких затрат, если это не будет абсолютно необходимо для соблюдения конкретных стандартов электробезопасности. Другая опасность заключается в том, что поверхностные покрытия могут быть повреждены в процессе обработки и сборки. Нарушение покрытия уменьшает способность пути утечки и делает конденсатор восприимчивым к загрязнению и дугу ( рис.3 ). Кроме того, при выборе устройства с предварительно нанесенным покрытием важно обеспечить совместимость материала покрытия со всеми применимыми сборными материалами, процессами и условиями. Несовместимость может привести к преждевременному разрушению поверхностного покрытия.
Существуют также проблемы с воздушными зазорами под смонтированными компонентами и пустотами в эпоксидном покрытии и под ним. Эти промежутки и пустоты позволяют использовать тот же потенциал дуги, что и устройство без покрытия.

Рисунок 3: Несовершенство в покрытии может привести к тому, что устройство будет подвержено воздействию дуги.

Серийный электрод

Альтернативный метод, показанный на фиг.4, является конструкцией «последовательный электрод». Первая часть диаграммы иллюстрирует, как пять отдельных 1000-V 1000-μF конденсаторов могут быть соединены последовательно, чтобы сформировать массив, который повышает вероятность пробоя до 5000 В, несмотря на то, что общее электрическое поле было таким же, как и для одного конденсатора, Однако большой недостаток заключается в том, что общая емкость уменьшается до 200 мкФ. Вторая часть диаграммы показывает весь блок конденсаторов, помещенный в единую монолитную структуру с теми же характеристиками, что и устройства пяти серий.

Рисунок 4: Top - Пять отдельных конденсаторов последовательно. Нижняя часть - монолитная серия-электродная конструкция повышает напряжение пробоя, но, как и индивидуальное, снижает емкость.

Ряд производителей, включая KEMET, реализовали технологию с плавающим электродом или последовательным конденсатором в ряде семейств устройств, охватывающих значения с низкой и средней емкостью. Эти устройства имеют каскадную конструкцию внутреннего электрода, которая эффективно создает несколько конденсаторов последовательно внутри устройства. Несмотря на то, что, конечно, уменьшая восприимчивость к поверхностной дуге, этот тип соединения серии также очень эффективен в качестве технологии смягчения гибких трещин, которая снижает риск отказа короткого замыкания конденсатора. Изгибная трещина не может пересекать электроды на обоих концах конденсатора. Он может пересекать только электроды, которые исходят от одного конца конденсатора и плавающих между активными областями. Даже если трещина распространяется через одну из активных областей, устройство может потерять емкость, но обычно не будет кратковременно, поскольку отсутствует проводящий путь между электродами, подключенными к противоположным окончаниям. По этой причине плавающий электрод выходит из строя.

Технология ArcShield

В конструкциях конденсаторов ArcShield используется дополнительный внутренний экранирующий электрод, как показано на фиг.5, что противостоит эффектам, которые могут вызывать образование дуги на поверхности без недостатков конструкции покрытия или последовательного электрода. В стандартной конструкции электрическое поле на поверхности очень близко к терминалу, а конструкция ArcShield имеет больший энергетический барьер из-за наличия экранирующего электрода с аналогичной полярностью до окончания.

Рисунок 5: Защитный электрод уменьшает напряженность поля в области поверхности конденсатора и первый счетчик
электрод.

Когда к ArcShield MLCC применяется высоковольтное смещение, между противоположными окончаниями и противоположной электродной структурой устанавливается разность потенциалов, но концентрация электрического поля локализуется на экранирующих электродах, а не на поверхности окончания и соответствующем первом противоэлектроде, Это минимизирует разность потенциалов вдоль поверхности чипа и значительно улучшает способность к утечке даже в небольших случаях и при высокой пористости на поверхности диэлектрика.

Рисунок 6: Конденсаторы ArcShield поставляются в стандартных упаковках.

Обзор эффектов щита

Стандартное перекрытие X7R MLCC уязвимо для трех основных механизмов отказа высокого напряжения. Это дуги между терминалом и ближайшим электродом противоположной полярности, дугой между терминалами и внутренним пробоем.
Керамические конденсаторы ArcShield обращаются к этим механизмам отказа, добавляя экранирующий электрод, который предотвращает образование дуги между выводами и любым ближайшим противоположным электродом. Устройства также включают более толстые активные области, которые эффективно увеличивают пробивное напряжение.

Рисунок 7: Тестирование напряжения в воздухе (50 шт.), Сравнивающее стандарт 1206 MLCC с версией ArcShield.

Применение технологии ArcShield для небольших случаев, таких как 1206 ( рис.6 ) и 0805 или 0603 ( таблица 1 ), приводит к высоковольтному пробою и надежным характеристикам жизнедеятельности.
Таблица 1. Данные о производительности для меньшего размера корпуса ArcShield MLCC.

Результаты показывают, что конденсаторы могут выдерживать воздействие напряжений, намного превышающих типичные гибридные / EV-инверторы или заряжающие батареи напряжения, что указывает на то, что высоковольтные MLCC X7R в случаях, когда 0603 можно безопасно использовать. Более подробную информацию можно найти на сайте www.kemet.com/arcshield .