在節(jié)能至關(guān)重要的應(yīng)用中，例如風(fēng)能或太陽(yáng)能逆變器或電動(dòng)汽車 (EV) 動(dòng)力系統(tǒng)，以高壓分配電力有助于降低 I 2 R 損耗。例如，在 EV 應(yīng)用中，為逆變器供電的直流鏈路可以是 3 V 至 400 V，對(duì)于風(fēng)能或太陽(yáng)能調(diào)節(jié)，甚至可以更高。然而，像這樣的高工作電壓不僅給最終用戶帶來(lái)了額外的安全挑戰(zhàn)，也給組件帶來(lái)了額外的安全挑戰(zhàn)——即使是那些在外殼上印有合適額定電壓的組件。

讓我們來(lái)看看多層陶瓷電容器 (MLCC) 是如何受到數(shù)百伏外加偏壓的影響的，這些電容器通常用于濾波、去耦或緩沖。

公認(rèn)的物理定律告訴我們，高 MLCC 額定電壓和小封裝尺寸是互不相容的：提高額定電壓要求板之間的電介質(zhì)層更厚，這反過(guò)來(lái)又會(huì)增加組件的尺寸。即便如此，對(duì)小型和輕型電源單元的需求要求在越來(lái)越小的封裝尺寸內(nèi)具有高電容和高電壓額定值。EV 逆變器或風(fēng)能或太陽(yáng)能微型發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)人員通常會(huì)尋找 0603 和 0805 外殼尺寸的電容器，例如 X7R 型 MLCC，額定電壓為 500 V、630 V 或 1,000 VDC。

防止電弧損壞和破壞

組件制造商可以通過(guò)性能更好的電容器材料和構(gòu)造技術(shù)在一定程度上滿足這些需求。然而，在實(shí)踐中，諸如爬電距離（電場(chǎng)在電介質(zhì)表面上的自然傳播）和強(qiáng)電場(chǎng)導(dǎo)致周圍空氣電離的趨勢(shì)等因素會(huì)威脅到組件的安全性，如圖 1 所示。在高壓下工作。

當(dāng)發(fā)生電離時(shí)，如果施加的偏壓超過(guò)電離空氣的起始電壓，則在不同電位的設(shè)備端子或電極之間會(huì)形成導(dǎo)電路徑，從而導(dǎo)致電暈放電或電弧放電。

圖 1：電離為端子-端子或端子-電極電弧建立條件。

可能發(fā)生電弧的起始電壓受多種因素的影響，包括大氣溫度和壓力、濕度和終端爬電距離。反過(guò)來(lái)，爬電距離受組件表面上存在的污染物的影響，例如導(dǎo)電灰塵顆?；蚍e聚的水分。具有高介電常數(shù)的陶瓷材料（例如 X7R 材料）比其他電介質(zhì)（例如 C0G）具有更高的孔隙率（表現(xiàn)為材料表面的空隙）。這些空隙往往含有水分和灰塵，從而使組件更容易受到電弧的影響。

端子之間的電弧是可以承受的，盡管在設(shè)備表面反復(fù)電暈放電會(huì)導(dǎo)致碳化軌道形成，并且隨著時(shí)間的推移會(huì)建立導(dǎo)電路徑。隨著放電繼續(xù)發(fā)生，這最終將導(dǎo)致短路故障。

更直接的問(wèn)題是在組件的外部和處于相反電位的第一內(nèi)部反電極之間發(fā)生放電的可能性，如圖2所示。這通常會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)快速擊穿，從而導(dǎo)致短路故障；往往伴隨著相當(dāng)壯觀的電容器破壞。

圖 2：端子和第一個(gè)反電極之間的電弧通常會(huì)導(dǎo)致電容器快速失效。

從歷史上看，電容器制造商和材料專家已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種技術(shù)來(lái)減輕電離和電暈放電的原因。其中之一是用高絕緣聚合物或玻璃狀涂層涂覆 MLCC，以形成光滑且無(wú)孔的表面，從而最大限度地減少污染物或水分積聚的機(jī)會(huì)。

盡管這項(xiàng)技術(shù)已被證明是有效的，但也存在一些缺點(diǎn)，包括材料成本和應(yīng)用它的額外工藝開(kāi)銷。此外，如果組件主體未完全封裝或涂層損壞，則涂層的有效性可能會(huì)受到影響。

此外，如果設(shè)備是預(yù)涂層的，電路板設(shè)計(jì)人員必須確保涂層材料與組裝中使用的其他材料兼容。另一方面，如果在組裝后施加涂層，則必須注意確保沒(méi)有空隙或間隙，例如在組件下方的區(qū)域。這些損害了涂層的完整性，并且可以允許與未涂層設(shè)備相同的電弧電位。

浮動(dòng)電極

或者，可以通過(guò)調(diào)整內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)提高電容器承受高施加電場(chǎng)的能力。

一個(gè)例子是級(jí)聯(lián)內(nèi)部電極設(shè)計(jì)。這種方法也稱為浮動(dòng)電極或串聯(lián)電容器技術(shù)，以與串聯(lián)多個(gè)電容器相同的方式提高電壓額定值，并有效地增加爬電距離，減少施加高電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生電弧的可能性。

浮動(dòng)電極設(shè)計(jì)還通過(guò)防止裂紋穿過(guò)任何一對(duì)相對(duì)電極并因此導(dǎo)致短路，從而有效地緩解彎曲裂紋。與彎曲有關(guān)的裂紋可能只會(huì)導(dǎo)致電容損失或安全開(kāi)路故障。一個(gè)缺點(diǎn)是串聯(lián)電容器方法會(huì)降低有效電容，就像串聯(lián)分立電容器一樣。

內(nèi)部屏蔽

最近的一項(xiàng)發(fā)展是在設(shè)備內(nèi)部添加一個(gè)屏蔽電極，該電極與最近的端子處于相同的電位，并向?qū)Χ搜由?，如圖3 所示。這可以想象成一個(gè)法拉第籠，與串聯(lián)電容器結(jié)構(gòu)相比，它允許更傳統(tǒng)的電極布局。因此，對(duì)于給定的額定電壓和器件尺寸，電容可以更高。此外，屏蔽電極與柔性端接兼容，可防止應(yīng)力開(kāi)裂。

圖 3：屏蔽電極降低了電容器表面和第一反電極區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)。

當(dāng)在端子上施加超過(guò)電容器周圍電離空氣起始電壓的高壓偏壓時(shí)，此屏蔽電極的存在可防止電暈放電導(dǎo)致端子和第一反電極之間的電介質(zhì)擊穿，從而防止快速圖2描述的短路故障模式。

因?yàn)槠帘坞姌O與最近的端子處于相同的電位，所以電場(chǎng)集中在屏蔽電極而不是終端表面和相應(yīng)的第一反電極中。這最大限度地減少了沿芯片表面的電位差，并增加了爬電距離能力。因此，即使是小外殼尺寸的設(shè)備，或使用 X7R 等高孔隙率電介質(zhì)構(gòu)建的設(shè)備，也可以受益于增強(qiáng)的抗電弧能力以及相關(guān)的損壞或設(shè)備故障可能性。

屏蔽電極設(shè)計(jì)的一個(gè)例子是 KEMET 的 ArcShield 系列耐電弧 MLCC，在商業(yè)或 AEC-Q200 汽車級(jí)的小型 EIA 標(biāo)準(zhǔn)外殼尺寸從 0603 到 1812 提供高電壓和高電容。電容值范圍在 500 Vdc 時(shí)高達(dá) 0.33 μF，在 630 Vdc 時(shí)為 0.15 μF，在 1,000 Vdc 時(shí)為 0.10 μF。

結(jié)論

通過(guò)添加屏蔽電極，采用小芯片尺寸封裝的高達(dá) 1,000 V 的高電容 MLCC 可以抵抗電弧放電，并大大提高電動(dòng)汽車和可再生能源發(fā)電等應(yīng)用中高壓電路的可靠性。屏蔽電極設(shè)計(jì)提供永久保護(hù)，并克服了傳統(tǒng)措施（如級(jí)聯(lián)電極或保形涂層）的缺點(diǎn)。

審核編輯：湯梓紅