在風力/太陽能發電逆變器或電動車(EV)動力傳動系統等對節能要求很高的應用中,以高壓配電有助於降低I2R損耗;例如在EV應用中,為逆變器供電的直流鏈路可能是3V~400V,而風力或太陽能電力調節的電壓可能更高。然而,這類高運作電壓不僅對終端使用者帶來額外的安全挑戰,對零組件——即使是那些在外殼標示了合適額定電壓的零組件——亦然。

讓我們來看看多層陶瓷電容(MLCC)──其常見用途包括濾波、去耦或者緩衝(snubbing)——是如何受數百伏特被施加的偏壓所影響。

公認的物理定律告訴我們,MLCC的高額定電壓和小封裝尺寸是不能同時存在的:增加額定電壓需要在極板之間加厚介電層,這反過來又會增加元件的尺寸。即便如此,業界對小型和輕型電源設備的追求,需要在越來越小的晶片封裝尺寸內實現高電容和高額定電壓。EV逆變器或風力/太陽能微型發電機的設計人員,通常會試圖採用0603和0805封裝尺寸的X7R型MLCC等電容器,其額定電壓為500V、630V或1,000VDC。

防止電弧放電損害和破壞

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圖1:電離為端子與端子、或端子與電極間的電弧之產生創造條件。

零組件製造商可以透過使用更好的電容器材料和構造技巧來滿足上述需求。然而,如圖1所示,在實踐中,爬電(creepage,電場在介電質表面的自然擴散)以及強電場可能引起周圍空氣發生電離(ionization)等因素,讓高壓運作下的零組件安全性受到威脅。

當電離發生時,如果所施加的偏壓超過電離空氣的起始電壓,則不同電位的元件端子或電極之間會形成導電通路,從而導致電暈放電(corona discharge)或形成電弧(arcing)。

電弧發生的起始電壓受到多種因素影響,例如大氣溫度和壓力、濕度和端子爬電距離等。反之爬電距離又受元件表面是否有污染物的影響,例如導電灰塵顆粒或積聚的水分。具有高介電常數的陶瓷材料(例如X7R材料),其孔隙率(porosity)──即材料表面存在的空隙──會比其他介電質(例如C0G)更高;這些空隙往往含有水分和灰塵,從而使零組件更容易受到電弧的損傷。

在端子之間的電弧可能是非致命的,但如果在元件表面反覆發生電暈放電,隨著時間推移會產生碳化軌道而形成導電路徑;隨著放電繼續發生,最終會導致短路故障。更直接的問題是,如圖2所示,放電有可能發生在零組件較靠外表的部份,還有位於相對電位的第一個內部電極。這通常會引起快速的介質崩潰(dielectric breakdown),從而導致短路故障,並經常伴隨非常可觀的電容器損毀。

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圖2:在端子與第一個對應電極之間產生的電弧,通常會快速導致電容器故障。

歷史上,電容製造商和材料專家們已經開發出各種技術,以減輕引發電離和電暈放電的因素。其一是採用高絕緣聚合物或類玻璃(glass-like)塗層為MLCC產生光滑無孔隙的表面,從而使污染物或水分積聚發生的可能性最小;儘管事實證明這種方法有效,卻也存在若干缺點,包括材料成本和額外的製程支出。還有如果元件本體沒有完全密封,或者塗層變質,其效果也會打折扣。

此外,如果元件是採用預先塗佈,電路板設計人員必須確保塗層材料與PCB元件中所用其他材料相容。另一方面,如果是在組裝後進行塗佈,則必須注意確保沒有裂縫或間隙,例如元件下方的區域,因為這種情況會破壞塗層完整性,並可能產生與未塗佈元件相同的電弧。

浮動電極

或者也可以透過調整內部結構,提升電容器承受高施加電場的能力。一個例子是級聯(cascading)內部電極設計;這種方法又稱為浮動電極(floating-electrode)或串聯電容技術,它能以串聯連結多個電容器相同的方式提高額定電壓,並有效增加爬電距離,從而降低在施加高電場強度時產生電弧的可能性。

浮動電極設計還可防止裂縫穿過任何一對相對電極而發生短路,因此有效減輕撓曲破裂(flex cracks);與撓曲相關的裂縫可能僅會引起電容損失或安全的開路故障。一個缺點是,就像串聯連結離散電容器一樣,串聯電容器的方法會降低有效電容。

內部屏蔽

最近發展出的一種新方法,是在元件內部添加屏蔽電極(shield electrode),它與最近的端子處於相同的電位,並向相對的端子延伸,如圖3所示。可以把它想像成有如法拉第籠(Faraday cage),而且與串聯電容器結構相較,這種方法可以實現更傳統的電極佈局。因此,對於給定的額定電壓和元件尺寸,電容可以更高。此外,屏蔽電極與軟性端子相容,可以防止發生應力開裂。

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圖3:屏蔽電極可降低電容器表面和第一個對應電極區域的電場強度。

當兩側端子施加了高壓偏壓、而且超越電容器周圍電離空氣的初始電壓時,採用這種屏蔽電極可防止引發端子和第一個對應電極之間發生介電質崩潰的電暈放電,從而避免圖2中描述的快速短路故障。

因為屏蔽電極與最近的端子所處的電位相同,所以電場集中在屏蔽電極,而非端子表面和相應的第一個對應電極位置。這可以最大限度地減少沿著晶片表面的電位差,並提升爬電距離。 因此,即使是小尺寸元件或採用高孔隙率介電質製造的元件(如X7R),也可以從增強的抗電弧能力中獲益,使相關的毀損或元件故障可能性降低。

遮罩電極的一個設計案例是KEMET的ArcShield系列抗電弧MLCC,採用小型EIA標準封裝尺寸,支援高電壓和大電容。該系列元件尺寸從0603到1812的商用或AEC-Q200車用等級,電容值在500Vdc額定值時高達0.33μF,在630Vdc時為0.15μF,在1,000Vdc時為0.10μF。

總結

透過增加屏蔽電極,高達1,000V的小晶片尺寸封裝大電容MLCC可以抵抗電弧放電,從而提升電動車和可再生能源發電等應用中高壓電路的可靠性。屏蔽電極設計可克服傳統抗電弧方法如級聯電極、保形塗層的缺點,從而提供永久性的保護。

本文同步刊登於電子工程專輯雜誌2019年5月號;責編:Judith Cheng

(原文出自EE Times姊妹刊,ASPENCORE旗下Electronic Products網站;參考連結:Arc-over countermeasures protect high-voltage MLCCs,by Reggie Philips)