Wechselrichter und Ladesysteme, die in Hybrid- oder vollelektrischen Fahrzeugen installiert sind, bieten ein klares Beispiel für eine Hochspannungsanwendung, die mit extremen Platzbeschränkungen konfrontiert ist. Obwohl MLCCs (Mehrschicht-Keramikkondensatoren) als Filter in Stromleitungen verwendet werden, kann der Druck zur Miniaturisierung Designer dazu veranlassen, Geräte mit dem kleinsten verfügbaren Formfaktor auszuwählen, z Board-Footprint als ein MLCC der Größe 0603. Diese kleineren Gehäuse fordern die Gerätehersteller jedoch heraus, die Kapazität innerhalb des reduzierten Gehäusevolumens zu maximieren und gleichzeitig ihre Zuverlässigkeit zu gewährleisten. In Bezug auf die Zuverlässigkeit stellt der kürzere Abstand zwischen den Geräteanschlüssen ein größeres Risiko dar, dass die Kriechstrecke (Kriechen), d. h. die natürliche Tendenz eines elektrischen Felds, sich über eine dielektrische Oberfläche auszubreiten, die Bildung eines Lichtbogens zwischen den Geräten ermöglicht Klemmen (Abbildung 0603), wenn die maximale Betriebsspannung an das Gerät angelegt wird. Das Ergebnis kann ein Kondensatorausfall sein und andere Komponenten in der Nähe thermisch beschädigen. Faktoren wie hohe Luftfeuchtigkeit oder Verunreinigungen auf der Bauteiloberfläche können die Lichtbogenwahrscheinlichkeit erhöhen.
Analyse des Lichtbogenphänomens
Wenn eine hohe DC-Vorspannung an einen Hochspannungs-MLCC angelegt wird, wird eine Potentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Anschlüssen und der gegenüberliegenden Elektrodenstruktur erzeugt. Gleichzeitig entsteht eine Konzentration des elektrischen Feldes in der Anschlusszone und der jeweiligen ersten Gegenelektrode innerhalb des MLCC, wie in Abbildung 2 dargestellt. Diese Potentialdifferenz beginnt sich entlang der Oberfläche des Chips zu erzeugen und ionisiert die darüber befindliche Luft oben, wenn das elektrische Entladungsniveau der Luft erreicht ist. Bei Erreichen der Zündspannung der ionisierten Luft entsteht ein leitfähiger Pfad, der eine Energieableitung in das im Anschlussbereich konzentrierte elektrische Feld ermöglicht. Diese Energieentladung wandert durch die Luft entlang der Oberfläche, des Kondensators, und in den Bereich mit niedrigerem Potential, anstatt durch den Kondensator zu gehen. Während der Entladung überquert ein sichtbarer und hörbarer Lichtbogen die Oberfläche des Chips. Diese Art von Lichtbogen kann entstehen, wenn Spannungen von etwa 300 V oder mehr angelegt werden. Bei einigen Hochspannungskondensatoren kann ihr Wert geringer sein als die Nennspannung des Geräts. Wenn der Lichtbogen zwischen der Oberfläche eines Anschlusses und durch das dielektrische Material der Keramikstruktur zur ersten inneren Gegenelektrode gebildet wird, verursacht dies normalerweise einen dielektrischen Durchschlag des Kondensators, der zu einem Kurzschluss führt, der in einem katastrophalen Ausfall endet.
So verhindern Sie Lichtbögen
Hersteller von Kondensatoren haben verschiedene Methoden implementiert, um Lichtbögen zu verhindern. Eine besteht darin, eine Polymer- oder Glasbeschichtung über die Oberfläche des Chips aufzubringen, um etwaige Lücken zu füllen und eine glatte Oberfläche bereitzustellen, die weniger anfällig für die Ausbreitung elektrischer Felder ist. Das Füllen dieser Hohlräume mit Isoliermaterial trägt auch dazu bei, Verunreinigungen zu entfernen und die dielektrische Stabilität über die gesamte Oberfläche des Chips zu verbessern. Die Verbesserung der Stabilität verringert die Luftionisation und erhöht die Oberflächeninitiierungsspannung, was das Potenzial für Lichtbogenbildung verringert und die Kondensatorleistung vom Spannungsstandpunkt aus verbessert. Designer verwenden seit Jahrzehnten Oberflächenbeschichtungen auf Leiterplatten für Hochspannungsanwendungen. Diese Technologie hat sich bei der Leistungssteigerung bewährt, ihr größter Nachteil sind jedoch die Kosten für das Aufbringen der Beschichtung. Dies hat viele Designer dazu veranlasst, diese Kosten zu vermeiden, es sei denn, es wird als absolut notwendig erachtet, bestimmte elektrische Sicherheitsstandards zu erfüllen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Oberflächenbeschichtung während der Handhabungs- und Montageprozesse beschädigt werden kann. Ein Spalt in der Ummantelung verringert effektiv die Kriechstrecke entlang der Oberfläche und macht den Kondensator somit anfällig für Verschmutzung und Überschlag (Abbildung 3). Darüber hinaus ist es bei der Auswahl eines bereits beschichteten Geräts wichtig, sicherzustellen, dass das Beschichtungsmaterial mit allen anwendbaren Montagematerialien, Prozessen und Bedingungen kompatibel ist. Eine Unverträglichkeit kann zu Schäden oder vorzeitigem Versagen der Oberflächenbeschichtung führen. Beachten Sie auch den Elektrodenabstand unter den montierten Komponenten sowie die Lücken über und unter dem Epoxid. Diese Lücken und Hohlräume ermöglichen dasselbe Lichtbogenpotential wie ein unbeschichtetes Gerät.
Elektrode in Reihe
Eine alternative Technik, wie in Fig. 4 gezeigt, ist der Aufbau einer "Serienelektrode". Der erste Teil des Diagramms zeigt, wie fünf 1000-V-1000-μF-Kondensatoren in Reihe geschaltet werden können, um eine Baugruppe zu bilden, die die Ausschaltkapazität effektiv auf 5000 V erhöht, obwohl das gesamte elektrische Feld das gleiche wie bei einem einzelnen Kondensator ist. Es hat jedoch den Nachteil, dass die Gesamtkapazität auf 200 μF reduziert wird. Der zweite Teil des Diagramms zeigt den vollständigen Kondensatorblock, der in einer einzigen monolithischen Struktur mit den gleichen Eigenschaften wie die fünf in Reihe geschalteten Geräte angeordnet ist. KEMET hat in mehreren Gerätefamilien mit niedriger bis mittlerer Nennkapazität eine schwimmende Elektroden- oder Reihenelektrodentechnologie implementiert. Diese Geräte basieren auf einem kaskadierten internen Elektrodendesign, das tatsächlich mehrere Kondensatoren in Reihe innerhalb des Geräts bildet. Während dies die Anfälligkeit für Oberflächenlichtbögen verringert, ist diese Art der Reihenschaltung auch sehr effektiv als Technologie, die das Risiko eines Kabelbruchs mindert und das Risiko eines Kondensatorausfalls aufgrund von Kurzschlüssen verringert. Ein Biegebruch kann die Elektroden nicht von beiden Enden des Kondensators kreuzen; er kann nur Elektroden kreuzen, die von einem Ende des Kondensators stammen, und schwebende Elektroden zwischen zwei aktiven Zonen. Selbst wenn sich ein Bruch durch einen der heißen Punkte ausbreitet, könnte das Gerät an Kapazität verlieren, wird aber im Allgemeinen nicht kurzgeschlossen, da es keinen leitfähigen Pfad zwischen den Elektroden gibt, die mit den gegenüberliegenden Anschlüssen verbunden sind. Aus diesem Grund fällt die schwebende Elektrode offen aus.
ArcShield
Eine zusätzliche innere Abschirmelektrode, wie die in Fig. 5 gezeigte, wirkt den Effekten entgegen, die ein Lichtbogen auf der Oberfläche verursachen kann, und weist nicht die bekannten Nachteile der Auskleidungs- oder Reihenelektrode auf. Die Abschirmelektroden bilden eine Barriere für den Lichtbogen zwischen den Anschlüssen, der in Standardausführungen zu sehen ist. Bei einem Standarddesign liegt das elektrische Feld an der Oberfläche sehr nahe am Anschluss, wodurch die Energiebarriere für Lichtbögen über der Oberfläche gesenkt wird. Das ArcShield-Design hat eine höhere Energiebarriere aufgrund des Vorhandenseins der Abschirmelektrode mit ähnlicher Polarität wie der Anschluss. Wenn eine hohe Vorspannung an einen MLCC ArcShield angelegt wird, wird eine Potentialdifferenz zwischen den gegenüberliegenden Anschlüssen und der gegenüberliegenden Elektrodenstruktur aufgebaut, aber die Konzentration des elektrischen Felds befindet sich eher an den Abschirmelektroden als an der Anschlussoberfläche und ihren jeweiligen ersten Gegenelektrode. Dies minimiert die Potentialdifferenz über der Chipoberfläche und verbessert die Kriechstreckenfähigkeit erheblich, sogar in den kleinsten Geräten und wenn die dielektrische Oberfläche hochporös ist.
Überprüfung der Schutzwirkungen
Ein Standard-Overlay-MLCC X7R ist anfällig für drei grundlegende Hochspannungsausfallmechanismen: Lichtbogen zwischen einem Anschluss und der nächsten Elektrode mit entgegengesetzter Polarität, Lichtbogen zwischen Anschlüssen und interner Ausfall. KEMET ArcShield MLCCs adressieren diese Fehlermechanismen, indem sie eine Abschirmelektrode hinzufügen, die eine Lichtbogenbildung zwischen Anschlüssen und nahe gelegenen Elektroden mit entgegengesetzter Polarität verhindert. Die Geräte enthalten auch dickere aktive Zonen, die die Durchbruchspannung tatsächlich erhöhen. Bei Spannungen über 300 V kann insbesondere bei kleineren Formaten ein Lichtbogen auf der Oberfläche entstehen. Die Anwendung der ArcShield-Technologie auf kleinere Formate wie 1206 (Abbildung 6) und 0805 oder 0603 (Tabelle 1) führt zu einer hohen Durchbruchspannung und zuverlässigen Lebensdauertestergebnissen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kondensatoren Spannungen standhalten können, die weit über denen liegen, die in Wechselrichtern oder Batterieladegeräten in Hybrid-/Elektrofahrzeugen typisch sind, was darauf hindeutet, dass Hochvolt-X7R-MLCCs in den Größen 0603 und höher sicher verwendet werden können. Weitere Informationen zu ArcShield™-Kondensatoren finden Sie unter www.kemet.com/arcshield.
