Vermeidung von Kondensatorlichtbögen in immer kleineren Hochspannungs-Fahrzeugkonstruktionen

Bekämpfung - Vermeidung von LIFTINGS // LIFTINGFREI arbeiten (Januar 2019).

Anonim

Creepage kann eine Lichtbogenbildung zwischen den Anschlüssen ermöglichen

VON REGGIE PHILLIPS
Produktmanager für Hochspannung
KEMET
www.kemet.com

Die Wechselrichter und Ladesysteme in Hybrid- oder Vollelektrofahrzeugen sind ein aktuelles Beispiel für eine Hochspannungsanwendung, die extremen Platzverhältnissen ausgesetzt ist. Wenn Mehrschichtkeramikkondensatoren (MLCs) als Filter über Hochspannungsleitungen verwendet werden, kann der Miniaturisierungsdruck Entwickler dazu bringen, Bauelemente in den kleinsten verfügbaren Fällen auszuwählen, wie z. B. 0603. Ein 0603-Chip spart 75% des von einem 1206 belegten Platinenplatzes MLCC. Diese kleineren Fälle stellen jedoch Gerätehersteller vor die Herausforderung, die Kapazität innerhalb des reduzierten Gehäusevolumens zu maximieren und die Zuverlässigkeit sicherzustellen.
Der kürzere Abstand zwischen den Vorrichtungsklemmen führt zu Zuverlässigkeitsbedenken aufgrund eines grßeren Risikos, daß das Kriechen - die natürliche Tendenz eines elektrischen Feldes, sich über eine dielektrische Oberfläche auszubreiten - Lichtbogenbildung zwischen den Kondensatoranschlüssen ( Fig. 1 ) ermöglichen kann Betriebsspannung wird angelegt. Dies führt normalerweise zum Versagen des Kondensators und kann zu thermischen Schäden an anderen in der Nähe befindlichen Komponenten führen. Faktoren wie hohe Luftfeuchtigkeit oder Verunreinigungen auf der Bauteiloberfläche erhöhen die Wahrscheinlichkeit von Lichtbögen.

Abb. 1: Weiße Streifen sind Oberflächenlichtbögen zwischen MLCC-Anschlüssen.

Analyse des Lichtbogenphänomens

Wenn eine Hochspannungs-Gleichstromvorspannung an einen MLCC angelegt wird, wird eine elektrische Feldkonzentration in dem Abschlussbereich und der jeweiligen ersten Gegenelektrode in dem MLCC lokalisiert, wie in Fig. 2 dargestellt . Der Potentialunterschied beginnt sich entlang der Oberfläche des Chips zu bilden und ionisiert die Luft darüber, sobald der elektrische Zusammenbruch der Luft erreicht ist.

Abb. 2: Elektrische Bedingungen um die Kondensatoroberfläche herum, die Lichtbogenbildung ermöglichen können.

Sobald die anfängliche Spannung der ionisierten Luft erreicht ist, wird ein leitender Pfad erzeugt, der es der Energie in dem konzentrierten elektrischen Feld des Abschlussbereichs ermöglicht, sich zu entladen. Diese Entladung bewegt sich durch die Luft entlang der Oberfläche des Kondensators und auf einen Bereich mit niedrigerem Potential anstatt durch den Kondensator. Während der Entladung gibt es einen sichtbaren und hörbaren elektrischen Lichtbogen über die Oberfläche des Chips.
Diese Art von Lichtbogenbildung kann bei angelegten Spannungen von etwa 300 V auftreten. Bei einigen Hochspannungskondensatoren kann dies unter der Nennspannung des Geräts liegen. Wenn die Lichtbogenbildung zwischen einer Abschlussoberfläche und durch das dielektrische Material des Keramikkörpers zu der ersten internen Gegenelektrode auftritt, verursacht dies üblicherweise einen dielektrischen Durchschlag des Kondensators, was zu einem Kurzschlusszustand führt, der zu einem katastrophalen Ausfall führt.

Vermeidung von Lichtbogenbildung

Kondensatorhersteller haben eine Anzahl von Ansätzen versucht, Lichtbogenbildung zu verhindern. Eine davon besteht darin, eine Polymer- oder Glasbeschichtung entlang der Oberfläche des Chips aufzubringen, um jegliche Hohlräume auszufüllen und eine glatte Oberfläche bereitzustellen, die eine natürlich geringere Anfälligkeit gegenüber Kriechen aufweist.
Das Füllen dieser Hohlräume mit isolierendem Material hilft auch, Verunreinigungen auszuschließen und verbessert die dielektrische Stabilität über die Oberfläche des Chips. Die Verbesserung dieser Stabilität verringert die Ionisierung der Luft und erhöht die Anfangsspannung entlang der Oberfläche.
Seit Jahrzehnten verwenden Designer Oberflächenbeschichtungen auf Leiterplatten in Hochspannungsanwendungen. Diese Technologie hat sich als wirksam erwiesen, jedoch mit einem Hauptnachteil der Kosten für das Auftragen der Beschichtung. Designer werden solche Kosten vermeiden, es sei denn, dass es absolut notwendig ist, bestimmte elektrische Sicherheitsstandards zu erfüllen. Eine weitere Gefahr besteht darin, dass Oberflächenbeschichtungen während der Handhabungs- und Montageprozesse beschädigt werden können. Ein Bruch in der Beschichtung reduziert die Kriechstreckenfähigkeit und macht den Kondensator anfällig für Verschmutzungen und Überschläge ( Abb. 3 ). Bei der Auswahl eines Geräts mit einer zuvor aufgebrachten Beschichtung ist es außerdem wichtig, dass das Beschichtungsmaterial mit allen anwendbaren Montagematerialien, -verfahren und -bedingungen kompatibel ist. Inkompatibilität könnte zu einem vorzeitigen Versagen der Oberflächenbeschichtung führen.
Es gibt auch Bedenken bezüglich Luftspalten unter montierten Komponenten und Hohlräumen in und unter der Epoxybeschichtung. Diese Lücken und Lücken ermöglichen das gleiche Lichtbogenpotential wie ein unbeschichtetes Bauelement.

Abb. 3: Unvollkommenheiten in der Beschichtung können das Gerät lichtbogenanfällig machen.

Serienelektrode

Eine alternative Technik, die in Fig. 4 dargestellt ist, ist die "Serienelektroden" -Konstruktion. Der erste Teil des Diagramms zeigt, wie fünf einzelne 1.000-V 1.000-μF-Kondensatoren in Reihe geschaltet werden können, um ein Array zu bilden, das die Durchschlagsfähigkeit auf 5.000 V erhöht, obwohl das gesamte elektrische Feld das gleiche ist wie bei einem einzelnen Kondensator . Ein großer Nachteil ist jedoch, dass die Gesamtkapazität auf 200 μF reduziert wird. Der zweite Teil des Diagramms zeigt den gesamten Kondensatorblock, der in einer einzigen monolithischen Struktur mit den gleichen Eigenschaften wie die fünf Seriengeräte angeordnet ist.

Bild 4: Oben - Fünf Einzelkondensatoren in Reihe. Unten - Die monolithische Reihenelektrodenkonstruktion erhöht die Durchschlagsspannung, verringert jedoch wie die Einzelzelle die Kapazität.

Eine Reihe von Herstellern, einschließlich KEMET, haben eine Technologie mit schwebender Elektrode oder seriellem Kondensator in einer Reihe von Vorrichtungsfamilien implementiert, die Werte niedriger bis mittlerer Kapazität abdecken. Diese Geräte verfügen über ein kaskadiertes Innenelektroden-Design, das effektiv mehrere Kondensatoren in Reihe innerhalb des Geräts bildet. Diese Art der Reihenschaltung reduziert zwar die Anfälligkeit für oberflächliche Lichtbögen, ist aber auch sehr effektiv als eine Technologie zur Reduzierung von Biegebruchspannungen, die das Risiko eines Kurzschlussausfalls von Kondensatoren reduziert. Ein Biegeriss kann die Elektroden an beiden Enden des Kondensators nicht durchqueren. Es kann nur Elektroden kreuzen, die von einem Ende des Kondensators stammen und solche, die zwischen den aktiven Bereichen schwimmen. Selbst wenn sich ein Riss durch einen der aktiven Bereiche ausbreitet, kann die Vorrichtung die Kapazität verlieren, wird jedoch typischerweise nicht kurz ausfallen, da zwischen den Elektroden, die mit den gegenüberliegenden Anschlüssen verbunden sind, kein leitender Pfad vorhanden ist. Aus diesem Grund fällt die schwebende Elektrode aus.

ArcShield-Technologie

ArcShield-Kondensatorkonstruktionen verwenden eine zusätzliche innere Abschirmelektrode, wie in 5 gezeigt, die den Effekten entgegenwirkt, die eine Oberflächenlichtbogenbildung ohne die Nachteile einer Beschichtung oder einer Konstruktion einer seriellen Elektrode verursachen können. In einer Standardausführung ist das elektrische Feld an der Oberfläche sehr nahe am Anschluss, während das ArcShield-Design eine größere Energiebarriere aufweist, da die Abschirmelektrode eine ähnliche Polarität wie der Abschluss aufweist.

Abb. 5: Die Schirmelektrode reduziert die Feldstärke im Bereich der Kondensatoroberfläche und des ersten Zählers
Elektrode.

Wenn eine Hochspannungsvorspannung an einen ArcShield MLCC angelegt wird, wird eine Potentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Anschlüssen und der Gegenelektrodenstruktur hergestellt, aber die Konzentration des elektrischen Feldes ist eher auf die Abschirmelektroden als auf die Abschlussoberfläche und die jeweilige erste Gegenelektrode lokalisiert . Dies minimiert die Potentialdifferenz entlang der Oberfläche des Chips und verbessert die Fähigkeit der Kriechstrecke sogar in kleineren Fällen und bei hoher Porosität in der dielektrischen Oberfläche drastisch.

Abb. 6: ArcShield-Kondensatoren sind in Standard-Paketen enthalten.

Überprüfung der Schild-Effekte

Ein Standard-Überlappungs-X7R-MLCC ist anfällig für drei grundlegende Hochspannungs-Ausfallmechanismen. Diese sind Lichtbogenbildung zwischen einem Anschluss und der nächsten Elektrode mit entgegengesetzter Polarität, Lichtbogenbildung zwischen den Anschlüssen und interner Durchbruch.
ArcShield-Keramikkondensatoren adressieren diese Fehlermechanismen, indem sie eine Abschirmelektrode hinzufügen, die eine Lichtbogenbildung zwischen den Anschlüssen und allen in der Nähe befindlichen Gegenelektroden verhindert. Die Geräte enthalten auch dickere aktive Bereiche, die die Durchbruchspannung effektiv erhöhen.

Abb. 7: Spannungsabbauprüfung in Luft (50 Stück), Vergleich der standardmäßigen 1206 MLCC mit der ArcShield-Version.

Die Anwendung der ArcShield-Technologie auf kleinere Fälle wie 1206 ( Abb. 6 ) und 0805 oder 0603 ( Tabelle 1 ) führt zu Hochspannungsdurchschlag und zuverlässiger Lebensdauerprüfung.
Tabelle 1. Leistungsdaten für ArcSield MLCC mit kleinerem Gehäuse

Die Ergebnisse zeigen, dass die Kondensatoren Spannungen ausgesetzt sind, die viel höher sind als bei typischen Hybrid / EV-Wechselrichtern oder Batterieladespannungen, was darauf hinweist, dass X7R-Hochspannungs-MLCCs in Fällen von nur 0603 sicher verwendet werden können. Weitere Informationen finden Sie unter www.kemet.com/arcshield .