电动汽车充电器: 安规电容器的新要求

为保护电路和人员，电动汽车 / 混动汽车 (EV / HEV) 车载充电器对安规电容器提出更加严格的要求。
 
作者：Vishay公司Florian Weyland博士、Wolfgang Rettlinger和Thomas Wächter
 
用于抑制电磁干扰的电容器，也称安规电容器，是电池组和电源中的永久固定物。随着开关电源广泛用于计算机、打印机、电视和手机充电器等众多应用，安规电容器已在每个家庭中使用。由于汽车电气化及电源电压日益提高，安规电容产品正在越来越多的应用于汽车工业，并对此提出了新的要求。
 
在全球市场中，汽车制造商面临汽车电气化程度越来越高的压力。这不仅意味着需要安装新的辅助驾驶系统，而且需要在市场上推出电动汽车 (EV)，无论混合动力汽车 (HEV) 还是全电动汽车。
 
立法机构正在推动这一趋势, 为减少二氧化碳的排放创造条件。以电化学能量存储系统取代传统汽油或柴油燃料系统是使用电动汽车的前提。众所周知，电动汽车的电池不是用油气充电，而是在电源插座或充电桩上采用直流电压充电。因此，车辆需要具有相应AC/DC转换功能的电子充电装置，即所谓的车载充电器 (OBC)。
 
这方面，这类充电器可以比作手机与其电源的关系，只是功率更高，并且可在更恶劣的环境下工作，因为汽车可能在寒冷的西伯利亚、炎热的沙漠、潮湿的热带、崎岖不平的道路上行驶。因此，汽车工业安规电容器的某些要求是不同的，这就是为什么OBC必须使用特殊的符合汽车标准的安规电容器。
 
一般要求

安规电容器将高频干扰信号—电磁干扰 (EMI) 和射频干扰 (RFI) —传输到底盘接地或中性导体上，从而使干扰短路。降低EMI可确保汽车电子部件的电磁兼容性 (EMC)。此外，安规电容器必须能够拦截过高的脉冲电压，防止耦合到供电系统中。安规电容器分为两类—X类电容器和Y类电容器 (图1)。

图1: X类 (左图) 和 Y类 (右图) 安规电容器的连接 (图片来源：Vishay Intertechnology)

X类电容器跨接在火线和零线之间。这种情况下，电容器故障不会导致触电的危险。X类器件还可细分为X1和X2电容器。根据规定，X1类电容器必须能够承受4KV的电压脉冲，X2电容器必须能够承受2.5 kV的脉冲。
 
Y类安规电容器跨接在火线和设备外壳之间或零线和设备外壳之间。这种情况下，基本绝缘缺失，安规电容器发生故障时，人会处于危险之中。因此，Y类安规电容器必须具备较高的电气安全性。Y类器件还可细分为Y1和Y2安规电容器。Y1安规电容器必须能够承受8 kV电压脉冲，Y2安规电容器必须能够承受5 kV脉冲。
 
除符合IEC 60384-14标准，安规电容器还必须经过官方机构的测试认证，如欧洲ENEC，美国Underwriter Laboratories，Inc. (UL)，加拿大CSA Group，中国CQC (中国质量认证中心)。
 
安规电容器有各种类型，包括薄膜电容器、片式陶瓷电容器和多层陶瓷电容器。薄膜电容器具有高容值, 容量稳定，可用温度范围内损耗因数稳定的优点。此外，金属化薄膜电容器具有自愈性的优点。在膜片发生故障击穿的情况下，如果施加电压会产生小电弧，导致薄膜铝涂层受损点周围氧化。这样可以隔离损坏点，防止更严重的损坏。
 
由于具有自愈性，薄膜电容器是X 类电容器的首选。另一方面，片式陶瓷电容器耐压最高，是Y1类应用的首选解决方案。
 
多层电容器占位面积小，高度低，是节省有限基板空间应用，降低装配成本的理想之选。多层电容器采用可靠的贵金属电极 (NME) 设计和湿法工艺制造，在高达+125 °C的工作温度下具有良好的散热性能，提高恶劣环境中的可靠性。

汽车工业的特殊要求

用于EV / HEV充电设备的电容器类型取决于电路、预期电压脉冲，以及施加在安规电容器两端的交流电压。图2显示各种安规电容器解决方案应用领域容值和耐压的关系。

图2: 薄膜电容器、多层电容器与片式陶瓷电容器容值和耐压的关系 (图片来源：Vishay Intertechnology)

汽车级薄膜电容器、片式陶瓷电容器和多层电容器甚至超过汽车工业的要求。工作原理如下。
 
汽车工业标准

汽车电子委员会 (AEC) 定义并发布汽车工业电子元件要求。AEC-Q200要求描述了无源元件必须通过的测试，如图 3截选内容所示。
 
例如，Vishay提供两个符合汽车工业标准的陶瓷电容器系列，分别是按照Y1类认证的AY1系列和按照Y2类认证的AY2系列，其他产品还包括符合汽车工业要求的Y2类MKP3386Y2和F340Y2系列薄膜电容器，X2类F339X2、MKP339和F1772系列薄膜电容器，以及X1 / Y2和X2类多层电容器– C0G (NP0) 和X7R介质VJ系列安全认证电容器。

图 3: 汽车工业安规电容器要求概览 (图片来源： AEC)

安规电容器需要适合不同的低温和高温设计要求。通常，陶瓷和多层电容器的工作温度为–55 °C至125 °C，薄膜电容器的工作温度为–55 °C至85 °C或105 °C。
 
随着温度的升高，器件失效概率增加，器件需要在允许的最大温度下测试。也就是说，电容器必须在最大设计电压下至少测试1,000小时。Vishay产品高于这些要求，AY2陶瓷电容器产品线在同样条件下可正常工作3,000小时，多层安规电容器在150 °C，1.7 x AC额定电压下可正常工作2,000小时。
 
此外，陶瓷电容器元件必须在–55 °C至125 °C，薄膜电容器元件必须在–55 °C至85 °C或105 °C，经受1,000次温度循环。当温度循环大且变化快时 (从最低上升到最高设计温度不到一分钟)，电容器内部热膨胀或热收缩可能导致裂纹或分层，或外壳与电容器分离。
 
汽车级电容器可在这些条件下正常工作。同时，适用于需要提高温度波动安全性的非汽车应用。暴露在零度以下和长时间阳光照射下的太阳能电池板转换器就是这种应用的一个很好的例子。
 
电容器需要具备防潮性。因此，陶瓷电容器必须在85 °C和85 %相对湿度，最大额定电压条件下正常工作1,000小时。当温度和湿度增加时，水分通过扩散穿过涂层材料，或者主要在涂层和未涂层之间转移, 穿透壳体。渗透的湿气会导致电容器短路。为防止这种情况并确保防潮，涂层材料和涂覆工艺需要适合汽车应用。薄膜电容器的标准要求是40 °C，相对湿度93 %，额定电压下为1,000小时。不过，Vishay系列电容器适用于极端条件，高于AEC-Q200的要求，并通过85 °C和85 %相对湿度，额定电压测试，如F340Y2为1,000小时，F339X2为500小时。
 
汽车市场对电子元器件机械性要求也比其他应用高，如抗振动和机械冲击的坚固性。 Vishay汽车级安规电容器满足这一要求。
 
综上所述，安规电容器分为X类和Y类，可滤除高频干扰信号 (EMC)，保护电路和用户免受高压浪涌的伤害。符合汽车标准的电容器可在极端环境条件下使用。必须由授权机构进行认证，以保证关键的安全性。AEC发布了汽车应用必须通过的测试规范。