Condensador Dingfeng: prevención de la formación de arcos de los condensadores en diseños automotrices de alto voltaje cada vez más pequeños
Tiempo de Publicación:2016-10-21


Condensador Dingfeng ----- Prevención de la formación de arcos de los condensadores en diseños automotrices de alto voltaje cada vez más pequeños


Los inversores y los sistemas de carga en vehículos híbridos o completamente eléctricos proporcionan un ejemplo tópico de una aplicación de alto voltaje que enfrenta limitaciones de espacio extremas. Cuando se utilizan condensadores de cerámica multicapa (MLC) como filtros a través de líneas de alto voltaje, la presión para miniaturizar puede llevar a los diseñadores a seleccionar dispositivos en los casos más pequeños disponibles, como 0603. Un chip 0603 ahorra el 75% del espacio de la placa ocupado por un 1206 MLCC. Sin embargo, estos estuches más pequeños desafían a los fabricantes de dispositivos a maximizar la capacitancia dentro del volumen reducido del paquete y a garantizar la confiabilidad.

La distancia más corta entre los terminales del dispositivo provocará problemas de confiabilidad debido a un mayor riesgo de que la fuga (la tendencia natural de un campo eléctrico a extenderse sobre una superficie dieléctrica) pueda permitir la formación de arcos entre los terminales del capacitor (Fig. 1) cuando la totalidad Se aplica tensión de trabajo. Esto generalmente resulta en la falla del capacitor y puede causar daño térmico a otros componentes cercanos. Factores como la alta humedad atmosférica o la contaminación en la superficie del componente aumentan aún más la posibilidad de formación de arco.


FAJH03_Capacitor_1_Oct2016
Fig. 1: La raya blanca es un arco de superficie entre las terminaciones MLCC.

Análisis del fenómeno del arco.

Cuando se aplica una polarización de CC de alto voltaje a un MLCC, se localiza una concentración de campo eléctrico en el área de terminación y el primer contraelectrodo respectivo dentro del MLCC, como se ilustra en la Fig. 2. La diferencia de potencial comienza a construirse a lo largo de la superficie de El chip, ioniza el aire sobre él una vez que se alcanza la ruptura eléctrica del aire.


FAJH03_Capacitor_2_Oct2016
Fig. 2: Condiciones eléctricas alrededor de la superficie del capacitor que pueden permitir que se produzca un arco eléctrico.
Una vez que se alcanza el voltaje de inicio del aire ionizado, se crea un camino conductor, que permite que la energía en el campo eléctrico concentrado del área de terminación se descargue. Esta descarga viaja a través del aire a lo largo de la superficie del condensador y en un área de menor potencial en lugar de a través del condensador. Durante la descarga, hay un arco eléctrico visible y audible a través de la superficie del chip.

Este tipo de arco puede ocurrir a voltajes aplicados de aproximadamente 300 V. Para algunos capacitores de alto voltaje, esto puede ser más bajo que el voltaje nominal del dispositivo. Si el arco se produce entre una superficie de terminación y a través del material dieléctrico del cuerpo cerámico hasta el primer contraelectrodo interno, esto generalmente causa una ruptura dieléctrica del capacitor, lo que resulta en una condición de cortocircuito que conduce a una falla catastrófica.

Prevención del arco eléctrico.
Los proveedores de condensadores han intentado una serie de enfoques para evitar el arco eléctrico. Uno de estos es aplicar un recubrimiento de polímero o vidrio a lo largo de la superficie del chip para rellenar cualquier vacío y proporcionar una superficie lisa que tenga una susceptibilidad a la fuga naturalmente más baja.
Rellenar estos huecos con material aislante también ayuda a excluir contaminantes y mejora la estabilidad dieléctrica en toda la superficie del chip. La mejora de esta estabilidad reduce la ionización del aire y aumenta el voltaje de inicio a lo largo de la superficie.
Los diseñadores han utilizado recubrimientos de superficie en PCB en aplicaciones de alto voltaje durante décadas. Esta tecnología ha demostrado ser efectiva pero con una desventaja principal del costo de aplicar el recubrimiento. Los diseñadores evitarán dichos costos a menos que se considere absolutamente necesario para cumplir con los estándares específicos de seguridad eléctrica. Otro peligro es que los recubrimientos de la superficie pueden dañarse durante los procesos de manejo y ensamblaje. Una ruptura en el recubrimiento reduce la capacidad de la distancia de fuga y hace que el condensador sea susceptible a la contaminación y al arco (Fig. 3). Además, al elegir un dispositivo que tiene un recubrimiento aplicado previamente, es importante asegurarse de que el material de recubrimiento sea compatible con todos los materiales, procesos y condiciones de ensamblaje aplicables. La incompatibilidad podría dar lugar a un fallo prematuro del revestimiento de la superficie.

También hay inquietudes con respecto a los espacios de aire debajo de los componentes montados y los huecos dentro y debajo del recubrimiento epoxi. Estos espacios y huecos permiten el mismo potencial de arco que un dispositivo sin recubrimiento.


FAJH03_Capacitor_3_Oct2016
Fig. 3: Las imperfecciones en el recubrimiento pueden dejar el dispositivo vulnerable al arco eléctrico.

Serie electrodo

Una técnica alternativa, ilustrada en la Fig. 4, es la construcción de "electrodo en serie". La primera parte del diagrama ilustra cómo se pueden conectar en serie cinco capacitores individuales de 1.000 V y 1.000 µF para formar una matriz que aumenta la capacidad de ruptura a 5.000 V, aunque el campo eléctrico total experimentado es el mismo que para un solo condensador . Sin embargo, una gran desventaja es que la capacitancia total se reduce a 200 µF. La segunda parte del diagrama muestra el bloque completo de capacitores ubicados en una única estructura monolítica con las mismas características que los dispositivos de la serie cinco.
FAJH03_Capacitor_4_Oct2016
Fig. 4: Top - Cinco condensadores individuales en serie. Parte inferior: la construcción de electrodo de serie monolítica eleva el voltaje de ruptura pero, como el individuo, reduce la capacitancia.

Varios fabricantes, incluido KEMET, han implementado tecnología de electrodo flotante o capacitor en serie en varias familias de dispositivos que cubren valores de capacitancia baja a media. Estos dispositivos cuentan con un diseño de electrodo interno en cascada que forma efectivamente múltiples capacitores en serie dentro del dispositivo. Si bien ciertamente reduce la susceptibilidad al arco de la superficie, este tipo de conexión en serie también es altamente eficaz como una tecnología de mitigación de grietas por flexión que reduce el riesgo de falla del cortocircuito del capacitor. Una grieta flexible no puede atravesar los electrodos en ambos extremos del condensador. Solo puede cruzar electrodos que se originan en un extremo del capacitor y aquellos que flotan entre las áreas activas. Incluso si una grieta se propaga a través de una de las áreas activas, el dispositivo puede perder capacitancia, pero normalmente no fallará debido a que no hay una ruta conductora entre los electrodos conectados a las terminaciones opuestas. Por esta razón, el electrodo flotante falla al abrirse.

Tecnología ArcShield

Los diseños de condensadores ArcShield utilizan un electrodo protector interno adicional, como se muestra en la Fig. 5, que se opone a los efectos que pueden causar la formación de arcos en la superficie sin las desventajas de un revestimiento o una construcción de electrodo en serie. En un diseño estándar, el campo eléctrico en la superficie está muy cerca del terminal, mientras que el diseño de ArcShield tiene una barrera de energía más grande debido a la presencia del electrodo de pantalla de polaridad similar a la terminación.



FAJH03_Capacitor_5_Oct2016

Fig. 5: el electrodo de pantalla reduce la intensidad de campo en la región de la superficie del capacitor y el primer contador
electrodo.
Cuando se aplica una polarización de alto voltaje a un ArcShield MLCC, se establece una diferencia de potencial entre las terminaciones opuestas y la estructura del electrodo opuesto, pero la concentración del campo eléctrico se localiza en los electrodos de pantalla en lugar de la superficie de terminación y el primer contraelectrodo respectivo. . Esto minimiza la diferencia de potencial a lo largo de la superficie del chip y mejora drásticamente la capacidad de distancia de fuga incluso en casos más pequeños y cuando hay una alta porosidad en la superficie dieléctrica.



FAJH03_Capacitor_6_Oct2016
Fig. 6: Los condensadores ArcShield vienen en paquetes estándar.

Revisión de los efectos del escudo.
Una superposición estándar X7R MLCC es vulnerable a tres mecanismos básicos de falla de alto voltaje. Estos son arcos entre un terminal y el electrodo más cercano de polaridad opuesta, arcos entre terminales y ruptura interna.
Los condensadores cerámicos de ArcShield abordan estos mecanismos de falla agregando un electrodo protector, que evita la formación de arco entre los terminales y cualquier electrodo opuesto cercano. Los dispositivos también incorporan áreas activas más gruesas que aumentan efectivamente el voltaje de ruptura.