如何為汽車和工業電源轉換器實作完備且小型的 EMI 控制

確保設備和使用者的安全是設計人員的關鍵要務，而電容就是不可或缺的要角。對於電動車 (EV) 充電器、變頻器 (VFD) 中的電磁干擾 (EMI) 濾波器、LED 驅動器等系統，以及電容式電源和電源轉換器等高能量密度應用來說，元件的尺寸、重量和可靠性也至關重要。

這些應用有個共同挑戰在於採購小巧且健全的高壓 X1 和 X2 安規電容 (線對線應用)，以及 Y2 電容 (線對地 EMI 濾波應用)；通過溫度／濕度／偏移 (THB) Grade IIIB 等級，工作溫度介於 -40°C 至 +125°C，並符合國際電工委員會 (IEC) 60384-14 和汽車電子協會 (AEC) Q200 的要求。

為了滿足這些要求，設計人員可以使用小型的聚丙烯薄膜 X1、X2 和 Y2 EMI 抑制安規電容。不僅符合 IEC 60384-14 的要求、AEC-Q200 認可，並達到最高的 IEC 健全性類別，適合需在惡劣環境條件下達到高可靠性並延長使用壽命的應用。這些小型自行修復電容比傳統的 X1、X2 和 Y2 安規電容小得多，可促成更小的印刷電路板 (PCB) 面積、減輕重量並降低成本。

本文將回顧安規電容在電路上的應用，並瞭解 IEC 60384-14 和 AEC-Q200 的測試和環境要求。接著會比較 X2 聚丙烯薄膜電容的並聯和串聯結構，並介紹 KEMET 針對 Y2、X1 和 X2 安全應用所推出的小型電容範例，其符合 IEC 60384-14 的要求，並且符合 AEC-Q200 標準。也會提供這些電容的焊接建議。

安規電容的作用

安規電容具有兩種安全相關功能。可針對抵達配電網路的雜訊進行過濾與抑制，並保護設備，以免在雷擊、馬達換向和其他因素下引發電壓尖峰而受到潛在破壞。還可保護設備使用者，以免受到潛在傷害。可根據這兩種功能進行分類和指定。

來自線路到中性線的差動 EMI 由 X 電容處理。Y 電容可處理共模干擾 (圖 1)。如果 X 電容故障，有可能會起火。如果 Y 電容故障，有使用者觸電的風險。X 電容的設計會在短路情況下失效，以便觸發保險絲或斷路器，並且關閉電源電壓，以排除火災危險性。Y 電容故障引發火災的機率非常低，因為這些電容的設計會在開路情況下失效，並可保護使用者，以免觸電。

圖 1：X 電容 (藍色) 的設計可濾除線對線干擾的 EMI，而 Y 電容 (橙色) 可濾除線對地干擾。(圖片來源：KEMET)

除了分類為「X」或「Y」之外，EMI 濾波電容更以其額定工作電壓以及可以處理的峰值脈衝電壓進行指定。若是 Y 電容，還可依據是否具有基本絕緣或增強絕緣進一步分類。已經針對這些電容制訂諸多標準，包括 IEC 60384-14、美國安全檢測實驗室司 (UL) 1414、UL 1283、加拿大標準協會 (CSA) C22.2 No.1 和 CSA 384-14。IEC 60384-14 更依據峰值脈衝電壓制訂 X 電容的子類別，依據額定電壓和絕緣級別制訂 Y 電容的子類別。此外，還針對不同的級別制訂不同形式的耐力測試。X1、X2 和 Y2 是最常用的安規電容 (表 1)：

• X 電容子類別
  • X3 電容的峰值電壓脈衝額定值小於或等於 1.2 kV。
  • X2 電容的峰值電壓脈衝額定值小於或等於 2.5 kV
  • X1 電容的峰值電壓脈衝額定值超過 2.5 且小於或等於 4.0 kV
• Y 電容子類別
  • Y4 電容的額定電壓低於 150 V_AC
  • Y3 電容的額定電壓為 150 至 250 V_AC
  • Y2 電容的額定電壓為 150 至 500 V_AC，具有基本絕緣
  • Y1 電容的額定電壓高達 500 V_AC，具有雙重絕緣

表 1：IEC 60384-14 依照峰值脈衝電壓對 X 電容進行分類，以及依據額定電壓和絕緣類型對 Y 電容進行分類的範例。(表格來源： KEMET)

安規電容替代品

由於具有不同的額定電壓和不同的效能能力，只有特定類型的 X 和 Y 電容可以替代其他具有相同或更高額定電壓的的電容。例如，Y1 電容具有相同的額定電壓和更高的絕緣額定值，可當作 Y2 電容的替代品。Y 電容的設計會失效開路，可用於代替 X 電容。但 X 電容的設計為失效短路，因此不能替代 Y 電容 (表 2)。雖然 X 電容可以充分濾除 EMI，但不支援 Y 電容的線對地安全標準。

表 2：有些 Y 電容可用於 X 電容，但 X 電容不能代替 Y 電容。(表格來源：KEMET)

自行修復

自行修復是指金屬化電容從介電崩潰引起的短暫短路中恢復並快速再生的能力。聚丙烯在自我修復方面被視為最佳材料。聚丙烯具有高表面含氧量，會將故障區域周圍的電極材料燒掉 (清除)。一旦故障排除，電容量損失微不足道，電容的其他電性會恢復到標稱值。除了使用聚丙烯薄膜外，金屬化材料及其厚度也是自行修復的重要因素。如果電容未精心設計，自行修復的最佳化會使其更容易受到極端環境條件的影響。因此，可在更高階的認證測試中受惠，如 THB。

THB 認證

THB 認證測試通常用於汽車、能源和工業應用，藉此衡量元件的長期可靠性。THB 測試會加速元件的衰退，並在指定的 AC 或 DC 偏移條件下測量一段指定時間後的電氣參數。IEC 60384-14、AMD1:2016 制訂了三個 THB 等級：I (A 和 B)、II (A 和 B) 和 III (A 和 B) (表 3)。最高等級 IIIB 的要求包括暴露在 85°C 和 85% 相對濕度下 1,000 小時。為了通過測試，薄膜電容必須展現：

• 電容量變化 ≤ 10%
• 額定值 > 1 μF 的電容在 1 kHz 下的耗散因數變化 (∆tan δ) 為 ≤ 150 * 10⁻⁴
• 額定值 ≤ 1 μF 的電容在 10 kHz 下的耗散因數變化 (∆tan δ) 為 ≤ 240 * 10⁻⁴
• 絕緣電阻為初始限值的 ≥ 50%，或至少 200 MΩ

表 3：最新版本的 IEC 60384-14 包括六種 THB 測試選擇。(表格來源：KEMET)

小型 X2 電容

若需要使用 X2 電容，設計人員可以轉用 KEMET 的 R53B 系列徑向聚丙烯薄膜電容，其電容值為 0.1 至 22 μF，並用自熄性樹脂封裝在模製塑膠外殼中，符合 UL 94 V-0 的阻燃要求 (圖 2)。這些小型電容的引線間距為 15 至 37.5 mm，比起標準 X2 電容，平均體積縮小 60%，因此可促成更小、更輕的解決方案。這些電容通過 AEC-Q200 認證，並通過 IEC 60384-14 THB 測試達 Class IIIB 等級。

例如，R53BI31505000K 的額定值 800 VDC 和 0.15 μF ±10%；R53BI322050S0M 的額定值為 800 VDC 和 0.22 μF ±20%。

圖 2：R53B X2 電容用自熄性樹脂封裝在模製塑膠外殼中，符合 UL 阻燃要求。(圖片來源：KEMET)

Class X1/Y2 安規電容

KEMET 的 R41B 系列 X1/Y2 安規電容的電容量介於 0.0022 至 1.2 μF，額定電壓高達 1,500 VDC，容差為 ±20% 或 ±10%。R41B 電容的封裝與 R53B 裝置類似，引線間距為 10 至 37.5 mm，採用小型體積，具有 IIIB 等級 THB 效能。R41B 電容 (如 R41BF122050T0K) (2200 pF 和 1,500 VDC) 在 125°C 下的額定運作壽命為 2,000 小時。

R53B 和 R41B 安規電容適用於電動車車載充電器、風能和太陽能電源轉換器、VFD 和其他工業應用，以及基於 SiC 和 GaN 的電源轉換器設計。

焊接要求

金屬化聚丙烯薄膜安規電容具有電氣和環境強固性，可提供高水準的操作人員保護，但在焊接到印刷電路板時需要特別注意。聚丙烯的熔點在 160°C 至 170°C 之間。搭配液相線溫度為 183°C 的傳統錫鉛 (SnPb) 焊料使用時，有簡單的方法可將這些電容可靠地連接到印刷電路板上。

在 RoHS 指令和元件小型化趨勢下，聚丙烯薄膜電容的焊接變得更加複雜。指令要求使用錫銀銅 (SnAgCu) 或錫銅 (SnCu) 合金。新合金的常見焊接溫度為 217°C 至 221°C，會導致元件上的熱應力增加，進而造成衰退或永久受損。較高的預熱和波峰焊接溫度會對小型元件 (如小型聚丙烯薄膜電容) 帶來破壞性的熱條件。KEMET 建議使用者在使用聚丙烯薄膜安規電容時採用 IEC 61760-1 第 2 版中的波峰焊曲線 (圖 3)。

圖 3：為了避免在焊接聚丙烯薄膜安規電容時發生熱損壞，KEMET 建議用戶採用 IEC 61760-1 第 2 版中的波峰焊曲線。(圖片來源：KEMET)

若需要人工焊接，KEMET 建議將烙鐵頭的溫度設定在 350°C (最高 +10°C)。人工焊接應限制在 3 秒以內，以免元件受損。

若是通孔聚丙烯薄膜電容，則不建議使用典型的迴流焊接。KEMET 也建議，別將這些電容送到元件表面黏著用的粘合劑固化烘箱中。電容應在表面黏著零件的黏著劑固化後，添加到印刷電路板上。如果通孔元件必須經過黏著劑固化流程，或是需要進行迴流焊接，請諮詢原廠，瞭解可行的烘箱溫度曲線詳情。

結論

設計人員必須確保設備和使用者的安全，同時滿足關鍵的設計要求。X 和 Y 安規電容可用來保護設備，以免受到過多 EMI 的影響，並保護使用者，以免受傷。使用 KEMET 堅固可靠的小型化聚丙烯金屬薄膜安規電容，設計人員就可滿足 IEC 60384-14 Grade IIIB 等級 HTB 要求，並符合 AEC-Q200 標準。這些電容可在一系列工業、電動車和 WBG 電源轉換器應用中支援小巧、輕量且低成本的解決方案。

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