电动汽车充电电子设备：对安全电容器的新要求

安全电容器，也称为抗干扰电容器，是电源组和电源中的永久性固定装置。开关电源广泛用于计算机、打印机、电视和手机充电器等应用中，广泛应用于每个家庭。由于车辆的电气化及其不断提高的电源电压，它们在汽车行业的使用也越来越多，这使得新的要求成为必要。

在全球范围内，汽车制造商都面临着推进汽车电气化的压力。这不仅意味着在车辆中安装新的驾驶辅助系统，还意味着将混合动力 （HEV） 或纯电动的电池驱动电动汽车 （EV） 推向市场。

立法者正在推动这一趋势，为减少二氧化碳排放提供条件。使用电动机的前提是用汽油或柴油等传统燃料换成电池等电化学储能系统。众所周知，电池不在气泵处充电，而是在电源插座或使用直流电压的充电站处充电。为此，车辆需要具有适当 AC/DC 转换的充电电子设备，也称为车载充电器 （OBC）。

在这方面，这些充电器可以与手机及其电源相媲美，只是功率更高，能量密度更高。但是，汽车行业对安规电容器的一些要求是不同的，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

安全电容器将高频干扰信号——电磁干扰 （EMI） 和射频干扰 （RFI）——传导到机箱接地或中性导体，从而使这种干扰短路。降低 EMI 可确保电磁兼容性 （EMC）。此外，安规电容必须拦截电源侧的过高电压，防止电源系统中的耦合。这些安规电容器分为两类——X 电容器和 Y 电容器（图 1）。

图 1：X 类（左）和 Y 类（右）安全电容器的连接（图片：Vishay Intertechnology）

X 电容器连接在相位和中性导体之间。在这种情况下，电容器故障不会导致危险的电击。在 X 类设备中，还有另一个细分为 X1 和 X2 电容器。根据规定，X1 类电容器必须承受高达 4 kV 的脉冲，而 X2 类电容器必须承受 2.5 kV 的脉冲。

Y 类安全电容器用于相线或中性线与可触及的设备外壳之间。在这种情况下，基础绝缘被绕过，如果安全电容器发生故障，人员可能会处于危险之中。因此，Y 类安规电容器需要提高电气安全性。在 Y 类中，还细分为 Y1 和 Y2 安规电容器。Y1 安规电容必须承受 8 kV 的电压脉冲，Y2 安规电容必须承受 5 kV 的脉冲。

安规电容符合 IEC 60384-14 标准，必须经过官方机构的测试和认证。

安全电容器有多种设计，包括薄膜电容器、陶瓷圆盘电容器或多层陶瓷电容器 （MLCC）。在这些版本中，薄膜电容器具有可实现的高电容、稳定的电容以及在可用温度范围内稳定的耗散因数等优点。此外，金属化薄膜电容器具有自愈作用。如果由于薄膜中的故障而发生击穿，如果施加电压，则会出现小电弧。该电弧导致薄膜铝涂层中受损点周围的氧化。此过程隔离损坏点，防止更大的损坏。

薄膜电容器因其自愈特性而成为 X 类电容器的首选。另一方面，陶瓷圆盘电容器提供最高的电压抗扰度，是 Y1 类应用的首选解决方案。

汽车行业的特殊要求

MLCC 也适合用作 X 类或 Y 类电容器。但是，它们仅满足作为 X1 类或 Y2 类组件的汽车级安全电容器的要求。

用于 EV/HEV 车辆充电电子设备的电容器类型取决于其电路、预期的电压脉冲和施加在安全电容器上的交流电压。图 2 显示了各种安规电容器解决方案的应用领域，它是电容和耐受交流电压的函数。

图 2：薄膜电容器、MLCC 和陶瓷圆盘电容器的分类以及电容范围与耐受交流电压的关系（图片：Vishay Intertechnology）

还有汽车级薄膜和陶瓷电容器，甚至超过了汽车要求。下面描述了它是如何工作的。

汽车资质

汽车电子委员会 （AEC） 定义并发布了对汽车行业电子元件的要求。AEC-Q200 要求描述了无源元件必须通过的测试。图 3 显示了一个摘录。

例如，Vishay Intertechnology 提供两个符合汽车标准的陶瓷电容器系列。这些是通过 Y1 类认证的AY1 系列和根据 Y2 类认证的 AY2 系列 。产品范围还包括 MKP3386Y2 和 F340Y2 系列的 Y2 类薄膜电容器以及 F339X2、MKP339 和 F1772 系列的 X2 类薄膜电容器，均符合汽车行业的要求。

图 3：汽车行业对安规电容器的要求概览（图片：AEC）

安规电容器也需要适当的低温和高温设计。因此，陶瓷电容器通常设计为在 –55°C 至 125°C 的温度范围内工作，而薄膜电容器的工作温度范围为 –55°C 至 85°C 或 105°C（125°C 正在开发中）。由于组件故障的可能性随着温度的升高而增加，组件在其最大允许温度下进行测试。

这意味着电容器必须在最大设计电压下测试至少 1，000 小时。Vishay 的 AY2 陶瓷电容器系列超出了这些要求，在这些条件下可以可靠地使用 3，000 小时。

此外，对于陶瓷电容器，组件必须在 –55°C 到 125°C 之间以及对于薄膜电容器在 –55°C 到 85°C 或 105°C 之间承受 1，000 次温度循环。在温度变化快的大温度循环（从最低设计温度到最高设计温度在不到一分钟的时间内）的情况下，热膨胀或收缩可能导致电容器内部出现裂缝或分层或部分盖子可能分离从电容器。

符合汽车标准的电容器经过专门设计，能够经受住这些外部条件。这些组件的设计还使其适用于需要提高温度波动安全性的非汽车应用。

防潮性同样是必要的。为此，陶瓷电容器必须在 85°C 和 85% 相对湿度下承受最大设计电压 1，000 小时。在温度和湿度升高的情况下，水会渗入盖子。这是通过涂层材料的扩散发生的，或者主要是在涂层和未涂层导线之间的过渡处。渗入的水分会导致电容器短路。

为了防止这种情况并确保防潮性，涂层材料和覆盖工艺适用于汽车应用。薄膜电容器的要求是 40°C 和 93% 的相对湿度，额定电压施加 1，000 小时。例如，Vishay 的 F340Y2 系列专为极端条件而设计，超过了 85°C、85% 相对湿度和 1，000 小时额定电压的要求。

汽车市场对电子元件的机械要求，例如对振动和机械冲击的鲁棒性，也高于其他应用。Vishay Intertechnology 凭借其符合汽车标准的安全电容器实现了这一点。

总之，安规电容分为 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影响。符合汽车标准的电容器旨在承受极端环境条件。授权机构认证的必要性与安全关键性质密切相关。AEC 发布了汽车应用必须通过的测试法规。