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小型化电容器用于电动车高压滤波电路

小型化电容器用于电动车高压滤波电路

当今社会追求更优的经济发展模式以及更低的二氧化碳排放量,这一动因促使汽车电子市场朝着与以往发展轨迹完全不同的路径前行。过去的几十年当中,汽车系统的电气负载已从简单的照明和充电进化为涵盖引擎管理及控制、传感器及安全,当然也包括娱乐功能,这使得汽车更为智能化也更加复杂。

伴随这一趋势,我们看到在高强度照明、安全系统、传动与控制和动力系统方面应用了更多的电子设备,以便获取更佳的驱动效果。在传动系统方面使用电气负载取代传统的机械和液压负载,这一举措提高了工作效率,从而使得业界更为关注电动汽车概念——混合动力车(HEV)和纯电动车(EV)。

然而对电动汽车的更多需要和需求,也给传统的12V电源系统带来了更多的挑战。同样,更高的耐压,对于更有效、更灵活地处理动力传动负载,也至关重要。开关式电源(SMPS)为这一转变需求**了基础。此外,电力电子设备的进步也对更高等级规格的元器件的应用提出了需求,例如对更高耐压、更高容值和更小尺寸的电容器的需求。

传统上,高耐压、高容值的电容器一般通过电解电容或者薄膜电容来实现,其体积一般较大。尽管经过多年的发展,高耐压、高容量的电容器的小型化进展还是十分有限。当前取得的进展主要在高耐压方面,但是很难同时兼顾高容量;或者是达到高容量但是电压一般小于50V,很显然,这无法满足汽车电子市场的应用需求。

为了同时获取高耐压和高容量,业界常见的做法是依据DSCC 87106/88011和MIL-PRF-49470的规范将多个陶瓷电容器叠加在一起,这种做法占据空间较大且较重,并且价格昂贵。因此,业内一直存在着对更轻、更小的高耐压、高容量的电容器的需求。

过往技术局限

陶瓷电容器的失效模式决定了设计上的局限,而多种失效模式的存在也**了中、高耐压电容器的容值提升。

有些失效模式是外在的,如机械应力或热应力导致的断裂,但同时我们也需要深入探讨内在失效模式,这在制造商的管控范围之内。

多层陶瓷电容器在设计上的**因素,随时代的不同而发生着变化。早期多层陶瓷电容器面临的主要**因素,是电介质材料本身的点缺陷和杂质,这些因素影响了材料的质量和纯度,如图1,从而**了电容器内部层数的上限和每层厚度的最小值。

随着电介质材料本身质量的提高和操作流程的改进,**因素转变为电介质材料本身的强度,而该因素一旦得到了解决,我们本可以预期制造出更大更厚的电容器,而不必担心产生介质击穿或点失效。

 

可是一种新的失效模式出现了,我们称之为压电应力断裂,通常指压电效应或者电致形变现象,如图4所示。这种失效模式迄今为止仍是多层陶瓷电容制造所面临的**因素。它影响大多数的钛酸钡二类(Class II介质,并**了1210以上尺寸、200V以上耐压的陶瓷电容器的容值范围)。

如图3所示,断裂通常沿着一层或两层介质层贯穿整个电容的中部。大多数的解决方案是将多个电容器通过添加引脚进行叠加,从而在给定尺寸下提高容值,但这需要消耗大量人力,花费较多成本,并会产生可靠性问题。另外的解决方案使用特殊电介质配方,但同时以牺牲介电常数作为代价,并影响最终可获得的容值大小。

解决方案

如图5所示,StackiCap是一种应对压电失效**的的片式陶瓷电容的解决方案。其应用的专利技术GB Pat./EP2013/061918创新性地在电容器内部加入了一层压力缓冲层,使得该电容器既可展现出多个叠加电容的性能,同时在制造和加工流程上又具备单个电容器的优点。

 

压力缓冲层使用现成的材料系统组合,并经过标准的制造流程。压力缓冲层加在机械应力最大的一个或多个部位,从而缓解由于压电形变而带来的机械应力。依据目前为止的实验,压力缓冲层可以将多层电容器在内部分成2段、3段或4段,从而大幅缓解内部形变带来的机械应力,同时通过FlexiCap柔性端头技术释放端头上的机械应力,这样我们就不需要将多个电容器进行叠加了,我们也就不需要再给电容器组装引脚,从而方便标准化的卷带包装以及自动化贴装。

 

小型化

在大幅提高容值的同时,StackiCap可实现元件尺寸的显著缩小。以下图片直观地展现了StackiCap的优越性。

图7显示了已经研发的StackiCap的各规格产品尺寸:1812,2220,2225和3640。后续研发的5550 和8060在此未作图示。图8显示了最多5颗电容叠加的引脚电容组件,单个电容尺寸为2225,3640,5550和8060。图9和图10显示了单个 StackiCap电容器所能取代的电容组件。一个极端的例子是8060,1kV,470nF的电容如今可被单颗2220,1kV,470nF的 StackiCap替代;3640,1kV,180nF的电容如今可被单颗1812,1kV,180nF的StackiCap替代,体积分别缩小到原来的 1/10和1/7。

 

 

可靠性测试认证

StackiCap已通过如下可靠性测试:

(1) 寿命测试。StackiCap系列电容在125℃,1倍或1.5倍的额定电压下持续工作1000小时。

(2) 85/85测试。StackiCap系列电容在85℃/85%RH条件下持续工作168小时。

(3) 弯板测试。StackiCap系列电容被安装在Syfer/Knowles的测试用PCB上进行弯板测试,以评估元件的机械性能。

(4) AECQ200 汽车电子认证测试。

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