A kondenzátor ívének megakadályozása az egyre kisebb, nagyfeszültségű autóiparban

Our Miss Brooks: Department Store Contest / Magic Christmas Tree / Babysitting on New Year's Eve (Július 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

A Creepage lehetővé teszi a terminálok közötti áthúzást

A REGGIE PHILLIPS
Nagyfeszültségű termékmenedzser
KEMET
www.kemet.com

A hibrid vagy teljesen elektromos járművek hajtásszabályozói és töltőrendszerei egy helyi feszültségű alkalmazást mutatnak be, amely szélsőséges térbeli korlátokkal szembesül. Ha a többrétegű kerámia kondenzátorokat (MLC-eket) szűrőként használják nagyfeszültségű vezetékeken, akkor a miniatürizálásnak köszönhetően a tervezők kiválaszthatják a készülékeket a legkisebb rendelkezésre álló esetekben, például 0603-ban. A 0603-as chip a lemezterület 75% -át 1206 MLCC. Azonban ezek a kisebb esetek megkérdőjelezik az eszközgyártókat, hogy maximalizálja a kapacitást a csökkentett csomagolási mennyiségen belül és biztosítsa a megbízhatóságot.
Az eszközterminálok közötti rövidebb távolság megbízhatósági aggodalmakat von maga után, mivel nagyobb a kockázata annak, hogy a kúszóáram - az elektromos mező természetes tendenciája a dielektromos felszínre terjeszkedve - lehetővé teheti a kondenzátor terminálok közötti áthatolást ( 1. ábra ), ha a teljes működési feszültséget alkalmaznak. Ez általában a kondenzátor meghibásodását eredményezi, és más környező komponenseknél hőkárosodást okozhat. Az olyan tényezők, mint például a magas légköri páratartalom vagy a komponens felületén való szennyezés, tovább növelik az ívek valószínűségét.

1. ábra: A fehér csík felületi áthidalása az MLCC-lezárások között.

Az íves jelenség elemzése

Ha MLCC-re nagyfeszültségű dc-előfeszítést alkalmazunk, egy elektromos mező-koncentrációt lokalizálunk a lezárási területen és a megfelelő első ellenelektródon az MLCC-n belül, amint azt a 2. ábrán bemutatjuk. A potenciálkülönbség a csip felszínén épül fel, ionizálja a felette levő levegőt, miután elérte a levegő elektromos lebomlását.

2. ábra: A kondenzátor felületén lévő elektromos feltételek, amelyek lehetővé teszik az ív kialakulását.

Miután elérte az ionizált levegő kezdeti feszültségét, létrehoz egy vezetőpályát, amely lehetővé teszi a lezáró terület koncentrált elektromos mezőjének energiáját. Ez a kisülés a kondenzátor felszínén a levegőn halad át, és kisebb kapacitású területre, nem pedig kondenzátoron keresztül. A kisülés alatt látható és hallható elektromos ív van a chip felületén.
Ez a típusú ívolás kb. 300 V alkalmazott feszültségnél fordulhat elő. Néhány nagyfeszültségű kondenzátor esetén ez alacsonyabb lehet a készülék névleges feszültségénél. Ha az áthidalás a zárófelület és a kerámiatest dielektromos anyagán keresztül az első belső ellenelektróda felé történik, ez rendszerint a kondenzátor dielektromos meghibásodását okozza, ami rövidzárási állapotot eredményez, amely katasztrofális hibához vezet.

Az ívek megakadályozása

A kondenzátorok gyártói számos módszert próbáltak megakadályozni az ívek megakadályozására. Ezek közül az egyik az, hogy polimer vagy üvegbevonatot alkalmaznak a csip felszínén, hogy kitöltsék az üregeket, és olyan sima felületet biztosítsanak, amely természetesen alacsonyabb érzékenységet mutat a kúszóáramhoz.
Ezen üregek kitöltése szigetelőanyaggal segíti a szennyező anyagok kizárását és javítja a dielektromos stabilitást a chip felületén. A stabilitás javítása csökkenti a levegő ionizációját és megnöveli a felszínre ható kezdeti feszültséget.
A tervezők évtizedek óta használják a nagyfeszültségű PCB-k felületének bevonatait. Ez a technológia bizonyított hatékonynak bizonyult, de a bevonat alkalmazásának költségeinek elsődleges hátránya. A tervezők elkerülik az ilyen költségeket, kivéve, ha feltétlenül szükségesnek tartják az elektromos biztonsági szabványok betartását. Egy másik veszély az, hogy a felszíni bevonatok megsérülhetnek a kezelési és összeszerelési folyamatok során. A bevonat belélegzése csökkenti a kúszóáteresztő képességet és a kondenzátort érzékeny szennyeződésre és áthidalásra teszi ( 3 . Ezenkívül az előre felvitt bevonattal rendelkező eszköz kiválasztásánál fontos, hogy a bevonóanyag kompatibilis legyen az összes alkalmas szerelési anyaggal, eljárással és feltételekkel. Az összeférhetetlenség a felületi bevonat idő előtti meghibásodásához vezethet.
Arra is aggályok merülnek fel, hogy az epoxi bevonat alatt és alatt az elemek és az üregek alatt lévő légrések jelentkeznek. Ezek a rések és üregek ugyanazt az ívelési lehetőséget biztosítják, mint a bevonat nélküli eszköz.

3. ábra: A bevonatban lévő hibák a készüléket sebezhetővé tehetik.

Sorozatú elektróda

Egy alternatív technika, a 4. ábrán szemléltetve, "sorozat-elektród" konstrukció. A diagram első része azt mutatja be, hogy öt egyedi 1000 V-os 1000 μF kapacitású kondenzátor csatlakoztatható sorosan ahhoz, hogy egy tömböt hozzon létre, amely 5, 000 V-ra növeli a leállási képességet, annak ellenére, hogy a teljes elektromos mező megegyezik az egyetlen kondenzátorral . Ugyanakkor nagy hátránya, hogy a teljes kapacitást 200 μF-re csökkentjük. A diagram második része a kondenzátorok teljes blokkját mutatja egyetlen monolitikus struktúrába, ugyanolyan jellemzőkkel, mint az öt sorozatú készülékek.

4. ábra: Top - Öt egyedi sorozatú kondenzátor. Alul - A monolitikus sorozat-elektróda felépíti a leállási feszültséget, de az egyénhez hasonlóan csökkenti a kapacitást.

Számos gyártó, köztük a KEMET, számos lebegő elektródát vagy soros kondenzátort alkalmaz, számos olyan eszközcsaládban, amelyek alacsony és közepes kapacitásértékeket tartalmaznak. Ezek az eszközök egy lépcsős belső elektróda kialakításúak, amelyek hatékonyan több kondenzátort képeznek soronként az eszközön belül. Annak ellenére, hogy minden bizonnyal csökkenti a felületi érzékenységre való hajlamot, az ilyen sorozatú csatlakozások nagyon hatékonyak, mint a flex-crack mérséklési technológia, amely csökkenti a kondenzátor rövidzárlatának meghibásodásának kockázatát. A hajlékony repedés nem lehet kereszt kondenzátorral a kondenzátor mindkét végén. Csak a kondenzátor egyik végéből és az aktív területek között lebegő elektródákat lehet átvezetni. Még akkor is, ha egy repedés az egyik aktív területen keresztül terjed, az eszköz elveszítheti a kapacitást, de általában nem rövidül meg, mert nincs vezetőképes út az egymással szemben lévő végekhez csatlakoztatott elektródák között. Emiatt a lebegő elektróda kinyílik.

ArcShield technológia

Az ArcShield kondenzátorok egy további belső árnyékoló elektródot használnak, amint az az 5. ábrán látható, amely ellentétes az olyan hatásokkal, amelyek felületi áthatolást okozhatnak anélkül, hogy hátrányba kerülne a bevonat vagy a soros elektróda konstrukciója. Egy szabványos kialakításban a felszíni elektromos tér nagyon közel van a terminálhoz, míg az ArcShield kialakítása nagyobb energiazárral rendelkezik, mivel a póluselektróda hasonló polaritású jelenléte miatt megszűnik.

5. ábra: Az árnyékoló elektróda csökkenti a térerősséget a kondenzátor felülete és az első számláló tartományában
elektróda.

Ha ArcShield MLCC-re nagyfeszültségű előfeszítést alkalmazunk, potenciális eltérés jön létre az ellentétes végeladások és az ellentétes elektródszerkezet között, de az elektromos térerősség koncentrációja az árnyékolóelektródák helyett a végső felület és a megfelelő első ellenelektróda . Ez minimálisra csökkenti a potenciál különbségét a forgács felületén, és még kisebb esetekben is drasztikusan javítja a kúszóáteresztő képességet, és amikor a dielektromos felületen nagy a porozitás.

6. ábra: Az ArcShield kondenzátorok szabványos csomagolásban kaphatók.

A pajzs hatásainak áttekintése

Egy szabványos átfedés Az X7R MLCC három alapvető nagyfeszültségű meghibásodási mechanizmusra van kitéve. Ezek a terminál és a legközelebbi ellenkező polaritású elektród között húzódnak, amelyek a kapcsok között húzódnak, és belső bontásban vannak.
Az ArcShield kerámia kondenzátorok ezeket a meghibásodási mechanizmusokat egy árnyékoló elektród hozzáadásával oldják meg, amely megakadályozza a sorkapcsok és a közeli ellentétes elektródák közötti áthajtást. Az eszközök tartalmaznak még vastagabb aktív területeket is, amelyek hatékonyan növelik a leállási feszültséget.

7. ábra: Feszültség lebomlási vizsgálat levegőben (50 db), összehasonlítva a 1206 MLCC szabványt az ArcShield változatával.

ArcShield technológia alkalmazása kisebb esetekben, például 1206 ( 6. ábra ) és 0805 vagy 0603 ( 1. táblázat ) esetén nagyfeszültségű leállást és megbízható élettartam-teljesítményt eredményez.
1. táblázat: A kis méretű ArcShield MLCC teljesítményadatai.

Az eredmények azt mutatják, hogy a kondenzátorok képesek ellenállni a tipikus hibrid / EV frekvenciaváltóknál nagyobb feszültségeknek, vagy az akkumulátortöltő feszültségeknek, jelezve, hogy az X7R nagyfeszültségű MLCC-k a 0603-nál kisebb esetekben biztonságosan használhatók. További információ a www.kemet.com/arcshield címen található.