保护高压MLCC的电弧放电对策

【导读】通过增加屏蔽电极，高达1000V的小芯片尺寸封装大电容MLCC可以抵抗电弧放电，从而大大提高电动汽车和可再生能源发电等应用中高压电路的可靠性。 通过增加屏蔽电极，高达1000V的小芯片尺寸封装大电容MLCC可以抵抗电弧放电，从而大大提高电动汽车和可再生能源发电等应用中高压电路的可靠性。基美电子的ArcShield表贴MLCC具有屏蔽电极专利设计，可以克服传统电弧放电防治措施（例如级联电极或保形涂层）的缺点，从而无需保护涂层即可获得永久保护。相对于更大尺寸的传统MLCC或通孔陶瓷和薄膜电容器，它们还为设计工程师提供了可节省空间的替代方案。 创新的电弧放电预防方法可实现小尺寸高电压表贴MLCC，从而为电动汽车或可再生能源发电中的新兴应用提供高性价比且节省空间的解决方案。 高压应用设法节省空间在风力/太阳能逆变器或电动汽车（EV）动力系统等对节能要求很高的应用中，以高压方式配电有助于降低I2R损耗。例如，在EV应用中，为逆变器供电的直流链路可能是3-400V，而对风力或太阳能调节而言则可能更高。然而，这类高工作电压不仅对最终用户带来了额外的安全挑战，而且对元器件——即使是那些在外壳上印有合适额定电压的元器件——也是如此。让我们看下多层陶瓷电容器（MLCC）——常见用途包括滤波、去耦或者缓冲——是如何受数百伏所加偏压影响的。公认的物理定律告诉我们，高MLCC额定电压和小封装尺寸是不能同时并存的：增加额定电压需要在极板之间加厚介电层，这反过来又会增加器件的尺寸。即便如此，业界对小型和轻型电源设备的需求，要求在越来越小的芯片尺寸轮廓内实现高电容和高额定电压。EV逆变器或风力/太阳能微型发电机的设计人员，通常会试图采用0603和0805外壳尺寸的X7R型MLCC等电容器，其额定电压为500V、630V或1000VDC。 防止电弧放电损坏和破坏元器件制造商可以通过使用更好的电容器材料和构造技术来满足这些需求。然而，如图1所示，在实践中，爬电（电场在电介质表面上的自然扩散）以及强电场可能引起周围空气发生电离等因素，会威胁到高压工作元器件的安全性。当发生电离时，如果所加偏压超过电离空气的起始电压，则不同电位的器件端子或电极之间会形成导电通路，从而导致电晕放电或电弧放电。

图1.电离为端子与端子或端子与电极之间拉弧放电创造条件。

电弧放电发生的起始电压受多种因素的影响，例如大气温度和压力、湿度和端子爬电距离等。反过来，爬电距离又受器件表面是否有污染物影响，例如导电灰尘颗粒或积聚的水分。具有高介电常数的陶瓷材料（例如X7R材料），其孔隙率（即材料表面存在的空隙）会比其他电介质（例如C0G）更高。这些空隙往往含有水分和灰尘，从而使元器件更容易发生电弧放电。 端子之间发生电弧放电可以持续，但如果在器件表面反复发生电晕放电，则随着时间的推移，会产生碳化轨道，从而建立导电通路。随着放电继续发生，这最终会导致短路故障。更直接的问题是，如图2所示，在器件的外部部件和位于相反电位的第一个内部对电极之间有可能发生放电。这通常会引起快速介电击穿，从而导致短路故障，并经常伴有急剧的电容器破坏。