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電動(dòng)汽車(chē)充電器: 安規(guī)電容器的新要求

發(fā)布時(shí)間:2021-03-18 來(lái)源:Vishay 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】用于抑制電磁干擾的電容器,也稱(chēng)安規(guī)電容器,是電池組和電源中的永久固定物。隨著開(kāi)關(guān)電源廣泛用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、電視和手機(jī)充電器等眾多應(yīng)用,安規(guī)電容器已在每個(gè)家庭中使用。
     
為保護(hù)電路和人員,電動(dòng)汽車(chē) / 混動(dòng)汽車(chē) (EV / HEV) 車(chē)載充電器對(duì)安規(guī)電容器提出更加嚴(yán)格的要求。
 
用于抑制電磁干擾的電容器,也稱(chēng)安規(guī)電容器,是電池組和電源中的永久固定物。隨著開(kāi)關(guān)電源廣泛用于計(jì)算機(jī)、打印機(jī)、電視和手機(jī)充電器等眾多應(yīng)用,安規(guī)電容器已在每個(gè)家庭中使用。由于汽車(chē)電氣化及電源電壓日益提高,安規(guī)電容產(chǎn)品正在越來(lái)越多的應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè),并對(duì)此提出了新的要求。
 
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)。
 
電動(dòng)汽車(chē)充電器: 安規(guī)電容器的新要求
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8 kV電壓脈沖,Y2安規(guī)電容器必須能夠承受5 kV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?。這樣可以隔離損壞點(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。
 
電動(dòng)汽車(chē)充電器: 安規(guī)電容器的新要求
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。
 
電動(dòng)汽車(chē)充電器: 安規(guī)電容器的新要求
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。
(來(lái)源:Vishay,作者:Florian Weyland博士、Wolfgang Rettlinger和Thomas Wächter)
 
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