符合汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)的安規(guī)電容器有何要求

作者：Vishay公司Florian Weyland博士、Wolfgang Rettlinger和Thom

在全球市場(chǎng)中，汽車(chē)制造商面臨汽車(chē)電氣化程度越來(lái)越高的壓力。這不僅意味著需要安裝新的輔助駕駛系統(tǒng)，而且需要在市場(chǎng)上推出電動(dòng)汽車(chē) (EV)，無(wú)論混合動(dòng)力汽車(chē) (HEV) 還是全電動(dòng)汽車(chē)。

立法機(jī)構(gòu)正在推動(dòng)這一趨勢(shì), 為減少二氧化碳的排放創(chuàng)造條件。以電化學(xué)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)汽油或柴油燃料系統(tǒng)是使用電動(dòng)汽車(chē)的前提。眾所周知，電動(dòng)汽車(chē)的電池不是用油氣充電，而是在電源插座或充電樁上采用直流電壓充電。因此，車(chē)輛需要具有相應(yīng)AC/DC轉(zhuǎn)換功能的電子充電裝置，即所謂的車(chē)載充電器 (OBC)。

這方面，這類(lèi)充電器可以比作手機(jī)與其電源的關(guān)系，只是功率更高，并且可在更惡劣的環(huán)境下工作，因?yàn)槠?chē)可能在寒冷的西伯利亞、炎熱的沙漠、潮濕的熱帶、崎嶇不平的道路上行駛。因此，汽車(chē)工業(yè)安規(guī)電容器的某些要求是不同的，這就是為什么OBC必須使用特殊的符合汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)的安規(guī)電容器。

一般要求

安規(guī)電容器將高頻干擾信號(hào)—電磁干擾 (EMI) 和射頻干擾 (RFI) —傳輸?shù)降妆P(pán)接地或中性導(dǎo)體上，從而使干擾短路。降低EMI可確保汽車(chē)電子部件的電磁兼容性 (EMC)。此外，安規(guī)電容器必須能夠攔截過(guò)高的脈沖電壓，防止耦合到供電系統(tǒng)中。安規(guī)電容器分為兩類(lèi)—X類(lèi)電容器和Y類(lèi)電容器 (圖1)。

圖1: X類(lèi) (左圖) 和 Y類(lèi) (右圖) 安規(guī)電容器的連接 (圖片來(lái)源：Vishay Intertechnology)

X類(lèi)電容器跨接在火線和零線之間。這種情況下，電容器故障不會(huì)導(dǎo)致觸電的危險(xiǎn)。X類(lèi)器件還可細(xì)分為X1和X2電容器。根據(jù)規(guī)定，X1類(lèi)電容器必須能夠承受4KV的電壓脈沖，X2電容器必須能夠承受2.5 kV的脈沖。

Y類(lèi)安規(guī)電容器跨接在火線和設(shè)備外殼之間或零線和設(shè)備外殼之間。這種情況下，基本絕緣缺失，安規(guī)電容器發(fā)生故障時(shí)，人會(huì)處于危險(xiǎn)之中。因此，Y類(lèi)安規(guī)電容器必須具備較高的電氣安全性。Y類(lèi)器件還可細(xì)分為Y1和Y2安規(guī)電容器。Y1安規(guī)電容器必須能夠承受8kV電壓脈沖，Y2安規(guī)電容器必須能夠承受5kV脈沖。

除符合IEC 60384-14標(biāo)準(zhǔn)，安規(guī)電容器還必須經(jīng)過(guò)官方機(jī)構(gòu)的測(cè)試認(rèn)證，如歐洲ENEC，美國(guó)Underwriter Laboratories，Inc. (UL)，加拿大CSA Group，中國(guó)CQC (中國(guó)質(zhì)量認(rèn)證中心)。

安規(guī)電容器有各種類(lèi)型，包括薄膜電容器、片式陶瓷電容器和多層陶瓷電容器。薄膜電容器具有高容值, 容量穩(wěn)定，可用溫度范圍內(nèi)損耗因數(shù)穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。此外，金屬化薄膜電容器具有自愈性的優(yōu)點(diǎn)。在膜片發(fā)生故障擊穿的情況下，如果施加電壓會(huì)產(chǎn)生小電弧，導(dǎo)致薄膜鋁涂層受損點(diǎn)周?chē)趸＿@樣可以隔離損壞點(diǎn)，防止更嚴(yán)重的損壞。

由于具有自愈性，薄膜電容器是X 類(lèi)電容器的首選。另一方面，片式陶瓷電容器耐壓最高，是Y1類(lèi)應(yīng)用的首選解決方案。

多層電容器占位面積小，高度低，是節(jié)省有限基板空間應(yīng)用，降低裝配成本的理想之選。多層電容器采用可靠的貴金屬電極 (NME) 設(shè)計(jì)和濕法工藝制造，在高達(dá)+125 °C的工作溫度下具有良好的散熱性能，提高惡劣環(huán)境中的可靠性。

汽車(chē)工業(yè)的特殊要求

用于EV / HEV充電設(shè)備的電容器類(lèi)型取決于電路、預(yù)期電壓脈沖，以及施加在安規(guī)電容器兩端的交流電壓。圖2顯示各種安規(guī)電容器解決方案應(yīng)用領(lǐng)域容值和耐壓的關(guān)系。

圖2: 薄膜電容器、多層電容器與片式陶瓷電容器容值和耐壓的關(guān)系 (圖片來(lái)源：Vishay Intertechnology)

汽車(chē)級(jí)薄膜電容器、片式陶瓷電容器和多層電容器甚至超過(guò)汽車(chē)工業(yè)的要求。工作原理如下。

汽車(chē)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

汽車(chē)電子委員會(huì) (AEC) 定義并發(fā)布汽車(chē)工業(yè)電子元件要求。AEC-Q200要求描述了無(wú)源元件必須通過(guò)的測(cè)試，如圖 3截選內(nèi)容所示。

例如，Vishay提供兩個(gè)符合汽車(chē)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷電容器系列，分別是按照Y1類(lèi)認(rèn)證的AY1系列和按照Y2類(lèi)認(rèn)證的AY2系列，其他產(chǎn)品還包括符合汽車(chē)工業(yè)要求的Y2類(lèi)MKP3386Y2和F340Y2系列薄膜電容器，X2類(lèi)F339X2、MKP339和F1772系列薄膜電容器，以及X1 / Y2和X2類(lèi)多層電容器– C0G (NP0) 和X7R介質(zhì)VJ系列安全認(rèn)證電容器。

圖 3: 汽車(chē)工業(yè)安規(guī)電容器要求概覽 (圖片來(lái)源： AEC)

安規(guī)電容器需要適合不同的低溫和高溫設(shè)計(jì)要求。通常，陶瓷和多層電容器的工作溫度為–55 °C至125 °C，薄膜電容器的工作溫度為–55 °C至85 °C或105°C。

隨著溫度的升高，器件失效概率增加，器件需要在允許的最大溫度下測(cè)試。也就是說(shuō)，電容器必須在最大設(shè)計(jì)電壓下至少測(cè)試1,000小時(shí)。Vishay產(chǎn)品高于這些要求，AY2陶瓷電容器產(chǎn)品線在同樣條件下可正常工作3,000小時(shí)，多層安規(guī)電容器在150 °C，1.7 x AC額定電壓下可正常工作2,000小時(shí)。

此外，陶瓷電容器元件必須在–55 °C至125°C，薄膜電容器元件必須在–55 °C至85°C或105°C，經(jīng)受1,000次溫度循環(huán)。當(dāng)溫度循環(huán)大且變化快時(shí) (從最低上升到最高設(shè)計(jì)溫度不到一分鐘)，電容器內(nèi)部熱膨脹或熱收縮可能導(dǎo)致裂紋或分層，或外殼與電容器分離。

汽車(chē)級(jí)電容器可在這些條件下正常工作。同時(shí)，適用于需要提高溫度波動(dòng)安全性的非汽車(chē)應(yīng)用。暴露在零度以下和長(zhǎng)時(shí)間陽(yáng)光照射下的太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)換器就是這種應(yīng)用的一個(gè)很好的例子。

電容器需要具備防潮性。因此，陶瓷電容器必須在85 °C和85 %相對(duì)濕度，最大額定電壓條件下正常工作1,000小時(shí)。當(dāng)溫度和濕度增加時(shí)，水分通過(guò)擴(kuò)散穿過(guò)涂層材料，或者主要在涂層和未涂層之間轉(zhuǎn)移, 穿透殼體。滲透的濕氣會(huì)導(dǎo)致電容器短路。為防止這種情況并確保防潮，涂層材料和涂覆工藝需要適合汽車(chē)應(yīng)用。薄膜電容器的標(biāo)準(zhǔn)要求是40°C，相對(duì)濕度93 %，額定電壓下為1,000小時(shí)。不過(guò)，Vishay系列電容器適用于極端條件，高于AEC-Q200的要求，并通過(guò)85 °C和85 %相對(duì)濕度，額定電壓測(cè)試，如F340Y2為1,000小時(shí)，F(xiàn)339X2為500小時(shí)。

汽車(chē)市場(chǎng)對(duì)電子元器件機(jī)械性要求也比其他應(yīng)用高，如抗振動(dòng)和機(jī)械沖擊的堅(jiān)固性。 Vishay汽車(chē)級(jí)安規(guī)電容器滿足這一要求。

綜上所述，安規(guī)電容器分為X類(lèi)和Y類(lèi)，可濾除高頻干擾信號(hào) (EMC)，保護(hù)電路和用戶免受高壓浪涌的傷害。符合汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)的電容器可在極端環(huán)境條件下使用。必須由授權(quán)機(jī)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)證，以保證關(guān)鍵的安全性。AEC發(fā)布了汽車(chē)應(yīng)用必須通過(guò)的測(cè)試規(guī)范。
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