電動車充電器:安規電容的新要求

作者 : Florian Weyland、Wolfgang Rettlinger、Thomas Wächter,Vishay

為保護電路和人員,電動車/混合動力車(EV/HEV)車載充電器對安規電容提出更加嚴格的要求。

用於抑制電磁干擾的電容,也稱安規電容,是電池組和電源中的永久固定物。隨著開關電源廣泛用於電腦、印表機、電視和手機充電器等眾多應用,安規電容已在每個家庭中使用。由於汽車電氣化及電源電壓日益提高,安規電容產品正在越來越多的應用於汽車工業,並對此提出了新的要求。

在全球市場中,汽車製造商面臨汽車電氣化程度越來越高的壓力。這不僅意味著需要安裝新的輔助駕駛系統,而且需要在市場上推出電動車,無論混合動力車還是全電動車。

立法機構正在推動這一趨勢,為減少二氧化碳的排放創造條件。以電化學能量儲存系統取代傳統汽油或柴油燃料系統是使用電動車的前提。眾所周知,電動車的電池不是用油氣充電,而是在電源插座或充電樁上採用直流電壓充電。因此,車輛需要具有相應AC/DC轉換功能的電子充電裝置,即所謂的車載充電器(OBC)。

這方面,這類充電器可以比作手機與其電源的關係,只是功率更高,並且可在更惡劣的環境下工作,因為汽車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,汽車工業安規電容的某些要求是不同的,這就是為什麼OBC必須使用特殊的符合汽車標準的安規電容。

一般要求

安規電容將高頻干擾訊號——電磁干擾(EMI)和射頻干擾(RFI)——傳輸到底盤接地或中性導體上,從而使干擾短路,降低EMI可確保汽車電子部件的電磁相容性(EMC)。此外,安規電容必須能夠攔截過高的脈衝電壓,防止耦合到供電系統中。安規電容分為兩類:X類電容和Y類電容(圖1)。

 

圖1:X類(左圖)和Y類(右圖)安規電容的連接。(圖片來源:Vishay Intertechnology)

 

X類電容跨接在火線和零線之間。這種情況下,電容故障不會導致觸電的危險。X類元件還可細分為X1和X2電容。根據規定,X1類電容必須能夠承受4kV的電壓脈衝,X2電容必須能夠承受2.5kV的脈衝。

Y類安規電容跨接在火線和設備外殼之間或零線和設備外殼之間。這種情況下,基本絕緣缺失,安規電容發生故障時,人會處於危險之中。因此,Y類安規電容必須具備較高的電氣安全性。Y類元件還可細分為Y1和Y2安規電容,Y1安規電容必須能夠承受8kV電壓脈衝,Y2安規電容必須能夠承受5kV脈衝。

除符合IEC 60384-14標準,安規電容還必須經過官方機構的測試認證,如歐洲ENEC,美國Underwriter Laboratories (UL),加拿大CSA Group,中國CQC (中國品質認證中心)。

安規電容有各種類型,包括薄膜電容、片式陶瓷電容和多層陶瓷電容。薄膜電容具有高容值,容量穩定,可用溫度範圍內損耗因數穩定的優點。此外,金屬化薄膜電容具有自愈性的優點。在膜片發生故障擊穿的情況下,如果施加電壓會產生小電弧,導致薄膜鋁塗層受損點氧化。這樣可以隔離損壞點,防止更嚴重的損壞。

由於具有自愈性,薄膜電容是X類電容的首選。另一方面,片式陶瓷電容耐壓最高,是Y1類應用的首選解決方案。

多層電容佔位面積小、高度低,是節省有限基板空間應用,降低裝配成本的理想之選。多層電容採用可靠的貴金屬電極(NME)設計和濕法製程製造,在高達+125℃的工作溫度下具有良好的散熱性能,提高惡劣環境中的可靠性。

汽車工業的特殊要求

用於電動車/混合動力車充電設備的電容類型取決於電路、預期電壓脈衝,以及施加在安規電容兩端的交流電壓。圖2顯示各種安規電容解決方案應用領域容值和耐壓的關係。

 

圖2:薄膜電容、多層電容與片式陶瓷電容容值和耐壓的關係。(來源:Vishay Intertechnology)

 

汽車級薄膜電容、片式陶瓷電容和多層電容甚至超過汽車工業的要求,工作原理如下。

汽車工業標準

汽車電子委員會(AEC)定義並發佈汽車工業電子元件要求。AEC-Q200要求描述了被動元件必須通過的測試,如圖3截選內容所示。

例如,Vishay提供兩個符合汽車工業標準的陶瓷電容系列,分別是按照Y1類認證的AY1系列和按照Y2類認證的AY2系列,其他產品還包括符合汽車工業要求的Y2類MKP3386Y2和F340Y2系列薄膜電容,X2類F339X2、MKP339和F1772系列薄膜電容,以及X1/Y2和X2類多層電容——C0G (NP0)和X7R介質VJ系列安全認證電容。

 

圖3:汽車工業安規電容要求概覽。(來源:AEC)

 

安規電容需要適合不同的低溫和高溫設計要求。通常,陶瓷和多層電容的工作溫度為-55℃至125℃,薄膜電容的工作溫度為-55℃至85℃或105℃。

隨著溫度的升高,元件失效概率增加,元件需要在允許的最大溫度下測試。也就是說,電容必須在最大設計電壓下至少測試1,000小時。Vishay產品高於這些要求,AY2陶瓷電容產品線在同樣條件下可正常工作3,000小時,多層安規電容在150℃,1.7x AC額定電壓下可正常工作2,000小時。

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此外,陶瓷電容元件必須在-55℃至125℃,薄膜電容元件必須在-55℃至85℃或105℃,經受1,000次溫度迴圈。當溫度迴圈大且變化快時(從最低上升到最高設計溫度不到一分鐘),電容內部熱膨脹或熱收縮可能導致裂紋或分層,或外殼與電容分離。

汽車級電容可在這些條件下正常工作。同時,適用於需要提高溫度波動安全性的非汽車應用。暴露在零度以下和長時間陽光照射下的太陽能電池板轉換器就是這種應用的一個很好的例子。

電容需要具備防潮性。因此,陶瓷電容必須在85℃和85%相對濕度,最大額定電壓條件下正常工作1,000小時。當溫度和濕度增加時,水分透過擴散穿過塗層材料,或者主要在塗層和未塗層之間轉移,穿透殼體。滲透的濕氣會導致電容短路,為防止這種情況並確保防潮,塗層材料和塗覆製程需要適合汽車應用。薄膜電容的標準要求是40℃,相對濕度93%,額定電壓下為1,000小時。不過,Vishay系列電容適用於極端條件,高於AEC-Q200的要求,並通過85℃和85%相對濕度,額定電壓測試,如F340Y2為1,000小時,F339X2為500小時。

汽車市場對電子元件機械性要求也比其他應用高,如抗振動和機械衝擊的堅固性。Vishay汽車級安規電容滿足這一要求。

綜上所述,安規電容分為X類和Y類,可濾除高頻干擾訊號(EMC),保護電路和使用者免受高壓浪湧的傷害,符合汽車標準的電容可在極端環境條件下使用。必須由授權機構進行認證,以保證關鍵的安全性,AEC發佈了汽車應用必須通過的測試規範。

 

 

 

 

 

 

 

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