原标题：如何为汽车和工业电源转换器实现稳健的微型EMI控制

　　确保设备和用户的安全对设计人员来说至关重要，而电容器起着关键作用。电动汽车 (EV) 充电器、变频驱动器 (VFD) 中的电磁干扰 (EMI) 滤波器、LED 驱动器以及电容式电源和电源转换器等高能量密度应用等系统中的组件尺寸、重量和可靠性也至关重要。

　　所有这些应用中的一个共同挑战是采购紧凑而坚固的高压 X1 和 X2 安全电容器用于线对线，以及用于线对地 EMI 滤波的 Y2 电容器，这些电容器的额定温度/湿度/偏置 (THB) III 级，工作温度范围为 −40°C 至 +125°C，并符合国际电工委员会 (IEC) 60384-14 和汽车电子委员会 (AEC) Q200 的要求。

　　为了满足这些要求，设计人员可以使用微型聚丙烯薄膜X1、X2和Y2 EMI抑制安全电容器。它们符合 IEC 60384-14 的要求，符合 AEC-Q200 标准，并具有最高的 IEC 鲁棒性分类，适用于在恶劣环境条件下需要高可靠性和延长使用寿命的应用。这些微型自愈电容器比传统的 X1、X2 和 Y2 安全电容器小得多，可实现更小的印刷电路板 (PC 板) 面积、更轻的重量和更低的成本。

　　本文回顾了安全电容器的电路应用以及IEC 60384-14和AEC-Q200测试和环境要求。然后比较了 X2 聚丙烯薄膜电容器的并联和串联结构，并给出了适用于 Y2， X1和 X2 安全 应用程序来自 基美特 符合 IEC 60384-14 的要求，并通过 AEC-Q200 认证。还提供了焊接这些电容器的建议。

　　安全电容器的作用

　　安全电容器具有两个与安全相关的功能。它们过滤和抑制到达配电网络的噪声，并保护设备免受雷击、电机换向和其他来源引起的电压尖峰的潜在损坏。它们还可以保护设备用户免受潜在伤害。它们根据这两种功能进行分类和指定。

　　从线路到中性线的差模EMI由X电容处理。Y 型电容器可处理共模干扰(图 1)。如果X电容器发生故障，则有可能着火。如果Y电容器发生故障，则存在触电危险。X 电容器设计为在短路情况下失效，以触发保险丝或断路器并关闭电源电压以消除火灾危险。Y 型电容器故障引起的火灾危险非常低，因为这些电容器设计为在打开条件下失效并保护用户免受电击。

　　图 1：X 电容器(蓝色)设计用于滤除线间干扰的 EMI，而 Y 电容器(橙色)用于滤除线对地干扰。(图片来源：KEMET)

　　除了分类为“X”或“Y”外，EMI滤波电容器还由其额定工作电压和可以处理的峰值脉冲电压指定。对于Y电容器，它们根据它们是否具有基本绝缘或增强绝缘进一步分类。已经制定了许多适用于这些电容器的标准，包括IEC 60384-14，美国保险商实验室(UL)1414，UL 1283，加拿大标准协会(CSA)C22.2 No.1和CSA 384-14。IEC 60384-14 根据其峰值脉冲电压定义 X 电容器的子类别，根据其额定电压和绝缘类别定义 Y 电容器的子类别。此外，还为不同的班级定义了不同形式的耐力测试。X1、X2 和 Y2 是最常用的安全电容器(表 1)：

　　X 电容器子类

　　X3 电容器的峰值电压脉冲额定值小于或等于 1.2 kV。

　　X2 电容器的峰值电压脉冲额定值小于或等于 2.5 kV

　　X1 电容器的峰值电压脉冲额定值超过 2.5 且小于或等于 4.0 kV

　　Y 电容器子类

　　Y4 电容器的额定电压低于 150 伏交流电 (V交流)

　　Y3 电容器的额定电压为 150 至 250 V交流

　　Y2 电容器的额定电压为 150 至 500 V交流 和基本绝缘

　　Y1 电容器的额定电压高达 500 V交流 和双重绝缘

　　表 1：IEC 60384-14 按峰值脉冲电压对 X 电容器进行分类的示例，按额定电压和绝缘类型对 Y 电容器进行分类的示例。(表格来源：KEMET)

　　安全电容器替代品

　　由于它们具有不同的额定电压和不同的性能能力，只有某些类型的X和Y电容器可以用作具有相同或更高额定电压的其他类型的电容器的替代品。例如，Y1电容器具有相同的额定电压和更高的绝缘额定值，可用作Y2电容器的替代品。Y 电容器设计为失效开放，可用于代替 X 电容器。但 X 电容器设计为失效短路，不能替代 Y 电容器(表 2)。虽然X电容器可以充分滤除EMI，但它不支持Y电容器的线对地安全标准。

　　表 2：某些 Y 电容器可用于 X 电容器，但 X 电容器不能替代 Y 电容器。(表格来源：KEMET)

　　自我修复

　　自愈是指金属化电容器从介电击穿引起的瞬时短路中恢复并快速再生的能力。聚丙烯被认为是自我修复方面的最佳材料。聚丙烯的高表面氧含量会烧掉(清除)故障区域周围的电极材料。一旦故障清除，电容损失微不足道，电容器的其他电气性能恢复到标称值。除了使用聚丙烯薄膜外，金属化材料及其厚度是自我修复的重要因素。如果电容器没有经过精心设计，优化自愈会使它们更容易受到极端环境条件的影响。因此，他们受益于更高水平的资格测试，如泰铢。

　　泰铢资质

　　THB鉴定测试通常用于汽车，能源和工业应用，以衡量组件的长期可靠性。THB 测试可加速组件退化，并在指定的交流或直流偏置条件下测量定义时间段后的电气参数。IEC 60384-14 AMD1：2016 定义了三个 THB 等级 I(A 和 B)、II(A 和 B)和 III(A 和 B)(表 3)。满足最高等级IIIB的要求包括暴露在85°C和85%相对湿度下1，000小时。为了通过测试，薄膜电容器必须证明：

　　电容变化≤ 10%

　　耗散因数变化(∆tan δ)≤ 150 * 10−4 (对于额定值为 > 1 微法拉 (μF) 的电容器，在 1 千赫兹 (kHz) 时)

　　耗散因数变化(∆tan δ)≤ 240 * 10−4 (额定值为 ≤ 1 μF 的电容器为 10 kHz)

　　绝缘电阻≥初始极限的 50% 或最小 200 兆欧 (MΩ)

　　表3：最新版本的IEC 60384-14包括六种THB测试选择。(表格来源：KEMET)

　　微型 X2 电容器

　　当需要 X2 电容器时，设计人员可以求助于 KEMET 的 R53B系列 径向聚丙烯薄膜电容器，电容值为 0.1 至 22 μF，并用自熄性树脂封装在符合 UL 94 V-0 可燃性要求的模制塑料外壳中(图 2)。这些微型电容器的引线间距为 15 至 37.5 毫米 (mm)，平均体积比标准 X2 电容器小 60%，从而实现更小、更轻的解决方案。这些电容器具有 AEC-Q200 认证和 IEC 60384-14 THB 测试的 IIIB 类等级。

　　例如，模型 R53BI31505000K 额定电压为 800 伏直流 (VDC) 和 0.15 μF ±10%，型号 R53BI322050S0M 额定电压为 800 VDC 和 0.22 μF ±20%。

　　图 2：R53B X2 电容器用自熄性树脂封装在符合 UL 可燃性要求的模制塑料外壳中。(图片来源：KEMET)

　　X1/Y2 类安全电容器

　　这 R41B KEMET 的 X1/Y2 系列安全电容器的电容范围为 0.0022 至 1.2 μF，额定电压高达 1，500 VDC，容差为 ±20% 或 ±10%。R41B 电容器的封装与 R53B 器件类似，引线间距为 10 至 37.5 mm，体积小，具有 IIIB 级 THB 性能。R41B 电容器，如 R41BF122050T0K (2200 皮法 (pF) 和 1，500 VDC)在 125°C 下的额定工作时间为 2，000 小时。

　　R53B 和 R41B 安全电容器均适用于电动汽车车载充电器、风能和太阳能电源转换器、VFD 和其他工业应用，以及基于 SiC 和 GaN 的功率转换器设计。

　　焊接要求

　　金属化聚丙烯薄膜安全电容器具有电气和环境坚固性，可提供高水平的操作员保护，但在焊接到印刷电路板时需要特别注意。聚丙烯的熔点在160°C至170°C之间。 当与液相线温度为 183°C 的传统锡铅 (SnPb) 焊料一起使用时，可以使用简单的技术将这些电容器可靠地连接到印刷电路板上。

　　RoHS指令和组件小型化相结合，使聚丙烯薄膜电容器的焊接变得更加复杂。该指令要求使用锡银铜(SnAgCu)或锡铜(SnCu)合金。新合金的常见焊接温度为217°C至221°C，导致组件上的热应力增加，从而可能降解或永久损坏它们。较高的预热和波峰焊温度会给小型元件(如微型聚丙烯薄膜电容器)带来破坏性的热条件。KEMET 建议用户在使用聚丙烯薄膜安全电容器时实施 IEC 61760-1 第 2 版中的波峰焊曲线(图 3)。

　　图 3：为防止在焊接聚丙烯薄膜安全电容器时出现热损坏，KEMET 建议用户采用 IEC 61760-1 第 2 版中的波峰焊曲线。(图片来源：KEMET)

　　当需要手动焊接时，KEMET 建议将烙铁尖端的温度设置为 350°C(+10°C)。手动焊接应限制在 3 秒或更短时间内，以避免损坏组件。

　　对于通孔聚丙烯薄膜电容器，不建议使用典型的回流焊接。KEMET 还建议，这些电容器不应通过用于连接表面贴装元件的粘合剂固化炉发送。电容器应在表面贴装部件的粘合剂固化后添加到印刷电路板上。如果通孔组件必须通过粘合剂固化工艺或需要回流焊接，请咨询工厂以获取有关允许的烤箱温度曲线的详细信息。

　　结论

　　设计人员需要确保设备和用户安全，同时满足关键设计要求。X 和 Y 安全电容器用于保护设备免受过度 EMI 的影响，并保护用户免受伤害。使用 KEMET 坚固可靠的小型化聚丙烯金属薄膜安全电容器，设计人员可以满足 IEC 60384-14 IIIB 级 HTB 要求，并符合 AEC-Q200 标准。这些电容器支持一系列工业、EV 和 WBG 功率转换器应用中的紧凑、轻量级和低成本解决方案。