用于 EMI 濾波和電壓隔離的安全電容器

這是關(guān)于電源處理應(yīng)用中使用的電容器的三部分常見問題解答系列中的第一篇文章。在第一篇文章中，我們將探討用于過濾交流電源線上的電磁干擾（EMI，也稱為射頻干擾，RFI）、天線耦合以及在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中提供電壓隔離的安全電容器。第二部分將探討“直流鏈路、儲(chǔ)能和脈沖功率電容器”，第三篇也是最后一篇文章將探討“用于電源轉(zhuǎn)換器輸出濾波的電容器”。

EMI 濾波，例如，在交流/直流電源或交流電源供電的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中，是安全電容器的主要用途。最近，出現(xiàn)了使用安全電容器提供輸入到輸出隔離的電容耦合 DC/DC 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。安全 MLCC 正在天線耦合應(yīng)用中找到用途。

由于 EMI 濾波器中的電容器連接到交流電源線，因此這些電容器可能會(huì)因過電壓和瞬變而失效。它們按在電路中的用途分類。線對(duì)線連接的電容器稱為“X 電容器”，也稱為“線對(duì)中性線”電容器。從線路連接到地的那些稱為“Y 電容器”，也稱為“線路旁路電容器”。

X 電容用于差模 EMI 濾波。Y 電容器用于共模 EMI 濾波，繞過電線對(duì)地的干擾。由于安全電容器直接連接到電源電壓，因此它們可能會(huì)受到電壓瞬變、電源浪涌、過壓條件和導(dǎo)致設(shè)備故障的其他壓力的影響。它們專為特定的故障模式而設(shè)計(jì)。X 電容器的故障可能導(dǎo)致火災(zāi)。X 電容器設(shè)計(jì)用于短路故障，這會(huì)導(dǎo)致連接到設(shè)備的保險(xiǎn)絲或斷路器打開，從而防止發(fā)生火災(zāi)的可能性。

安全電容器分類和潛在故障模式（圖片來(lái)源：Kemet）

Y 電容器短路可能會(huì)對(duì)使用該設(shè)備的人員造成致命的電擊危險(xiǎn)。因此，Y 電容器設(shè)計(jì)為失效開路并防止任何可能的電擊危險(xiǎn)。當(dāng)設(shè)備因 X 電容器故障以及隨后在 Y 電容器故障時(shí)過流保護(hù)裝置跳閘而關(guān)閉時(shí)，設(shè)備可以繼續(xù)運(yùn)行，但 EMI 濾波將顯著降低。

* 2 x Y2 或 Y4 額定值在串聯(lián)使用時(shí)可以橋接雙重或加強(qiáng)絕緣。

安全電容器等級(jí)和額定值（圖片來(lái)源：Knowles Capacitors）

安全電容器技術(shù)

雖然理論上可以使用多種電容器技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì) X 和 Y 安規(guī)電容器，但大多數(shù)商用設(shè)備要么是薄膜電容器，要么是陶瓷電容器。在選擇特定應(yīng)用中使用哪種類型的安全電容器時(shí)，需要權(quán)衡成本和性能。

當(dāng)需要更高的電容值時(shí)，薄膜電容器可能是最佳選擇。薄膜電容器成本更高，但提供自我修復(fù)功能，使設(shè)備可以從電介質(zhì)擊穿中恢復(fù)，而電容僅需少量減少。薄膜電容器的電容和耗散因數(shù)在適合工業(yè)應(yīng)用的寬溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。

陶瓷安全電容器有多種形式，圓盤電容器（兩端和三端）和多層陶瓷電容器 (MLCC)。安全 MLCC 包括額定電壓為 250Vrms 的 X2 和 X1/Y2 設(shè)備，可提供 I 類 NPO (COG) 和 II 類 X7R 電介質(zhì)。此外，一些安全 MLCC 專為天線耦合等對(duì)空間敏感的應(yīng)用而設(shè)計(jì)。

一些安全 MLCC 提供特殊端接以適應(yīng)惡劣的汽車環(huán)境。例如，Murata 提供 KCA 系列 Type MF 安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證金屬端子型多層陶瓷電容器。本產(chǎn)品的端子間距離為4mm以上，主要用于電動(dòng)汽車的車載充電器、逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器等設(shè)備。

用于汽車應(yīng)用的安全認(rèn)證金屬端子型多層陶瓷電容器。（圖片來(lái)源：村田）

含鉛陶瓷安全電容器提供最高的介電額定值和脈沖能力。它們具有 X1/Y1 安全等級(jí)，可處理高達(dá) 10kV 的脈沖。它們的電容額定值往往低于薄膜電容器，限制了它們?cè)谀承?yīng)用中的使用。與薄膜電容器相比，陶瓷器件的成本更低。

與二端子器件相比，三端子陶瓷電容器修改了引線端子的形狀以改善高頻特性。三端電容器中的一根引線有兩個(gè)連接。因此，與電容串聯(lián)的殘余電感較低，與兩端電容相比，插入損耗有所改善。

三端陶瓷電容性能比較（來(lái)源：村田制作所）

安規(guī)電容標(biāo)準(zhǔn)

由于短路的 Y 電容器可能導(dǎo)致觸電危險(xiǎn)，因此 Y 電容器的操作標(biāo)準(zhǔn)高于 X 電容器。在認(rèn)證過程中，執(zhí)行的兩項(xiàng)關(guān)鍵測(cè)試是脈沖和耐久性測(cè)試。這樣做是為了驗(yàn)證 X/Y 電容器可以承受十次交替極性的脈沖，然后進(jìn)行 1000 小時(shí)的耐久交流壽命測(cè)試。完成這兩項(xiàng)測(cè)試后，電容器必須在交流電壓條件下仍能在電路中可靠地工作。這些測(cè)試是 IEC 384-14 認(rèn)證要求的一部分。

EMI/RFI 抑制電容器的設(shè)計(jì)必須在經(jīng)過此測(cè)試過程后繼續(xù)令人滿意地運(yùn)行，并繼續(xù)滿足 EMC 指令 EN 50081 的限制。EMI/RFI 電容器必須符合國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)的安全性和易燃性要求，例如如下：

• 歐洲：EN 60384-14

• 美國(guó)：UL 60384-14、UL 1283

• 加拿大：CAN/CSA-E60384-14，CSA C22.2，No.8

• 中國(guó)：CQC（GB/T 6346.14-2015 或 IEC 60384-14）

使用 X 電容器時(shí)的一個(gè)設(shè)計(jì)考慮是需要在電源轉(zhuǎn)換器斷電時(shí)自動(dòng)對(duì)電容器放電，以符合安全標(biāo)準(zhǔn)。一些供應(yīng)商提供可以與泄放電阻器（也稱為放電電阻器）串聯(lián)放置的集成電路，當(dāng)電源電壓斷開時(shí)，泄放電阻器會(huì)自動(dòng)釋放 X 電容器中的能量，將能量從暴露的交流插頭轉(zhuǎn)移出去并保護(hù)設(shè)備用戶。

直流/直流轉(zhuǎn)換器的電容隔離

在通過隔離柵傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，電容隔離通常與更換光耦合器或變壓器有關(guān)。它通常與電源隔離無(wú)關(guān)。Helix Semiconductors 最近開發(fā)了一種使用電容器在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器中提供電壓隔離的技術(shù)。

該公司提供三種 MxC 200 DC-DC TL（無(wú)變壓器隔離）評(píng)估板 (EVB) 配置：10W 48V 至隔離非穩(wěn)壓 12V 輸出、3W 6V 至隔離非穩(wěn)壓 6V 輸出以及 5W 48V 至隔離非穩(wěn)壓 ±12V 和穩(wěn)壓 5V 輸出。每個(gè)評(píng)估板都是獨(dú)立的，隨時(shí)可用。

例如，MxC 270-EB-1 48V 至 12V 輸出 TL EVB 是一款獨(dú)立的隔離式 4:1 降壓 10W 降壓器。4W 配置也可以使用更便宜和更小的組件。

通過隔離屏障電容器提供隔離。根據(jù)所需的設(shè)備安全分類，將使用不同類型的電容器。用于 10W 操作的 1.5KV 電容器不是 Y1/Y2 安全等級(jí)?？筛鶕?jù)需要替換安全等級(jí)的薄膜電容器。4W TL EVB 配置使用 Y2 安全等級(jí) MLCC 電容器。