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來(lái)源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 確保設備和用戶(hù)的安全對設計人員來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，而電容器則發(fā)揮著(zhù)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 驅動(dòng)器等系統中，以及諸如電容式電源和電源轉換器等高能量密度應用中，元器件尺寸、重量和可靠性同樣具有舉足輕重的作用。 所有這些應用面臨共同的挑戰是采購用于線(xiàn)對線(xiàn)的緊湊堅固型高壓 X1 和 X2 安全電容器、用于線(xiàn)對地 EMI 濾波的 Y2 電容器，這些器件的額定溫度/濕度/偏壓 (THB) 等級為 IIIB，可在 -40°C 至+125°C 之間運行，并且符合國際電工委員會(huì ) (IEC) 60384-14 和汽車(chē)電子理事會(huì ) (AEC) Q200 的要求。 為了滿(mǎn)足這些要求，設計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 標準認證且具有最高的 IEC 穩健性分類(lèi)，適用于在惡劣環(huán)境條件下要求高可靠性和更長(cháng)壽命的應用。這類(lèi)小型自愈式電容器比傳統 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用，以及 IEC 60384-14 和 AEC-Q200 測試和環(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)結構，并舉例介紹 KEMET 適合 Y2、X1 和 X2 安全應用的小型電容器，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、抑制到達配電網(wǎng)的噪聲，并保護設備免受由雷電、電機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設備用戶(hù)免受潛在的傷害。安全電容器是根據這兩種功能來(lái)分類(lèi)和定義的。 從線(xiàn)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。如果 Y 電容器發(fā)生故障，有可能造成用戶(hù)觸電。X 電容器采用短路情況下失效的設計，以觸發(fā)保險絲或斷路器并切斷電源電壓，從而消除火災危險。Y 電容器故障造成火災危險的可能性非常低，因為這些電容器采用開(kāi)路情況下失效的設計，以防觸電。 
圖 1：X 電容（藍色）用于過(guò)濾線(xiàn)對線(xiàn)干擾的 EMI，而 Y 電容（橙色）用于過(guò)濾線(xiàn)對地干擾。（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化絕緣進(jìn)一步分類(lèi)。目前有許多適用這些電容器的標準，包括 IEC 60384-14、Underwriters Laboratories (UL) 1414、UL 1283、加拿大標準協(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，還為不同的等級規定了不同形式的耐久性測試。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小于或等于 1.2 kV X2 電容器的峰值電壓脈沖等級小于或等于 2.5 kV X1 電容器的峰值電壓脈沖等級超過(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 VAC，具有基本絕緣 Y1 電容器的額定電壓高達 500 VAC，具有雙重絕緣
表 1：IEC 60384-14 標準下，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，但絕緣等級較高，可以作為 Y2 電容器的替代品使用。Y 電容器采用故障開(kāi)路設計，可用來(lái)代替 X 電容器。但 X 電容器為了故障短路而設計，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(xiàn)對地安全標準。 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并迅速再生的能力。聚丙烯被認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)精心設計，針對自愈的優(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試會(huì )有益于這些電容器。 THB 合格性 THB 合格性測試通常適用于汽車(chē)、能源和工業(yè)應用，用于衡量其部件的長(cháng)期可靠性。THB 測試加速了元件退化，并在規定的交流或直流偏置條件下、在規定的時(shí)間后測量電氣參數。IEC 60384-14、AMD1:2016 標準規定了三個(gè) THB 等級（A 和 B）、II（A 和 B）和 III（A 和 B）（表 3）。要滿(mǎn)足最高級 (IIIB) 要求，包括在 85°C 和 85% RH 下暴露 1000 小時(shí)。為了通過(guò)測試，薄膜電容器必須證明： · 電容變化 ≤10% · 耗散系數變化 (Δtan δ) ≤ 150*10-4（在 1 kHz 時(shí)，對于額定值大于 1 μF 的電容器） · 耗散系數變化 (Δtan δ) ≤ 240*10-4（在 10 kHz 時(shí)，對于額定值大于 ≤ 1 µF 的電容器） · 絕緣電阻 ≥ 初始極限的 50% 或至少 200 MΩ。 等級 測試條件 A 測試條件 B I +40°C / 93% RH +85°C / 85% RH 21 天 168 小時(shí) II +40°C / 93% RH +85°C / 85% RH 56 天 500 小時(shí) I +60°C / 93% RH +85°C / 85% RH 56 天 1,000 小時(shí) 表 3：最新版 IEC 60384-14 標準給出了 THB 測試的六個(gè)選擇。（表格來(lái)源：KEMET） 小型 X2 電容器 當需要 X2 電容器時(shí)，設計人員可以采用 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(xiàn)間距為 15 - 37.5 mm，平均而言，其體積比標準 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 測試中達到了 IIIB 級。 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 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(xiàn)間距為 10 - 37.5 mm，體積小且具有 IIIB 級 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)能電源轉換器、VFD 和其他工業(yè)應用，以及基于 SiC 和 GaN 的電源轉換器設計。 焊接要求 金屬化聚丙烯薄膜安全電容器在電氣和環(huán)境方面都非常穩健，并能為操作者提供高水平保護，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。當使用液態(tài)溫度為 183°C 的傳統錫鉛 (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 )導致元件上的熱應力增加，可能使其性能退化或永久損壞。較高的預熱和波峰焊溫度會(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(hù)在使用聚丙烯薄膜安全電容器時(shí)，執行 IEC 61760-1 第 2 板的波峰焊曲線(xiàn)（圖 3）。
圖 3：為了防止在焊接聚丙烯薄膜安全電容器時(shí)出現熱損傷，KEMET 建議用戶(hù)按照 IEC 61760-1 第 2 版中的波峰焊曲線(xiàn)進(jìn)行操作。（圖片來(lái)源：KEMET） 當需要手動(dòng)焊接時(shí)，KEMET 建議將烙鐵頭的溫度設定為 350°C（最高 +10°C）。手動(dòng)焊接應限制為 3 秒或更短的時(shí)間，以免損壞元件。 對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，請就詳細的烤箱允許溫度曲線(xiàn)咨詢(xún)廠(chǎng)家。 結語(yǔ) 設計人員需要在滿(mǎn)足關(guān)鍵的設計要求的同時(shí)，確保設備和用戶(hù)安全。X 和 Y 安全電容器用于保護設備免受過(guò)多的電磁干擾，保護用戶(hù)免受傷害。使用 KEMET 堅固可靠的小型化聚丙烯金屬化薄膜安全電容器，設計人員可以滿(mǎn)足 IEC 60384-14 IIIB 級 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 電源轉換器應用中的緊湊、輕量和低成本解決方案。 |
