在節能至關重要的應用中，例如風能或太陽能逆變器或電動汽車 (EV) 動力系統，以高壓分配電力有助于降低 I 2 R 損耗。例如，在 EV 應用中，為逆變器供電的直流鏈路可以是 3 V 至 400 V，對于風能或太陽能調節，甚至可以更高。然而，像這樣的高工作電壓不僅給最終用戶帶來了額外的安全挑戰，也給組件帶來了額外的安全挑戰——即使是那些在外殼上印有合適額定電壓的組件。

讓我們來看看多層陶瓷電容器 (MLCC) 是如何受到數百伏外加偏壓的影響的，這些電容器通常用于濾波、去耦或緩沖。

公認的物理定律告訴我們，高 MLCC 額定電壓和小封裝尺寸是互不相容的：提高額定電壓要求板之間的電介質層更厚，這反過來又會增加組件的尺寸。即便如此，對小型和輕型電源單元的需求要求在越來越小的封裝尺寸內具有高電容和高電壓額定值。EV 逆變器或風能或太陽能微型發電機的設計人員通常會尋找 0603 和 0805 外殼尺寸的電容器，例如 X7R 型 MLCC，額定電壓為 500 V、630 V 或 1,000 VDC。

防止電弧損壞和破壞

組件制造商可以通過性能更好的電容器材料和構造技術在一定程度上滿足這些需求。然而，在實踐中，諸如爬電距離（電場在電介質表面上的自然傳播）和強電場導致周圍空氣電離的趨勢等因素會威脅到組件的安全性，如圖 1 所示。在高壓下工作。

當發生電離時，如果施加的偏壓超過電離空氣的起始電壓，則在不同電位的設備端子或電極之間會形成導電路徑，從而導致電暈放電或電弧放電。

圖 1：電離為端子-端子或端子-電極電弧建立條件。

可能發生電弧的起始電壓受多種因素的影響，包括大氣溫度和壓力、濕度和終端爬電距離。反過來，爬電距離受組件表面上存在的污染物的影響，例如導電灰塵顆粒或積聚的水分。具有高介電常數的陶瓷材料（例如 X7R 材料）比其他電介質（例如 C0G）具有更高的孔隙率（表現為材料表面的空隙）。這些空隙往往含有水分和灰塵，從而使組件更容易受到電弧的影響。

端子之間的電弧是可以承受的，盡管在設備表面反復電暈放電會導致碳化軌道形成，并且隨著時間的推移會建立導電路徑。隨著放電繼續發生，這最終將導致短路故障。

更直接的問題是在組件的外部和處于相反電位的第一內部反電極之間發生放電的可能性，如圖2所示。這通常會導致介質快速擊穿，從而導致短路故障；往往伴隨著相當壯觀的電容器破壞。

圖 2：端子和第一個反電極之間的電弧通常會導致電容器快速失效。

從歷史上看，電容器制造商和材料專家已經開發了各種技術來減輕電離和電暈放電的原因。其中之一是用高絕緣聚合物或玻璃狀涂層涂覆 MLCC，以形成光滑且無孔的表面，從而最大限度地減少污染物或水分積聚的機會。

盡管這項技術已被證明是有效的，但也存在一些缺點，包括材料成本和應用它的額外工藝開銷。此外，如果組件主體未完全封裝或涂層損壞，則涂層的有效性可能會受到影響。

此外，如果設備是預涂層的，電路板設計人員必須確保涂層材料與組裝中使用的其他材料兼容。另一方面，如果在組裝后施加涂層，則必須注意確保沒有空隙或間隙，例如在組件下方的區域。這些損害了涂層的完整性，并且可以允許與未涂層設備相同的電弧電位。

浮動電極

或者，可以通過調整內部結構來提高電容器承受高施加電場的能力。

一個例子是級聯內部電極設計。這種方法也稱為浮動電極或串聯電容器技術，以與串聯多個電容器相同的方式提高電壓額定值，并有效地增加爬電距離，減少施加高電場強度時產生電弧的可能性。

浮動電極設計還通過防止裂紋穿過任何一對相對電極并因此導致短路，從而有效地緩解彎曲裂紋。與彎曲有關的裂紋可能只會導致電容損失或安全開路故障。一個缺點是串聯電容器方法會降低有效電容，就像串聯分立電容器一樣。

內部屏蔽

最近的一項發展是在設備內部添加一個屏蔽電極，該電極與最近的端子處于相同的電位，并向對端延伸，如圖3 所示。這可以想象成一個法拉第籠，與串聯電容器結構相比，它允許更傳統的電極布局。因此，對于給定的額定電壓和器件尺寸，電容可以更高。此外，屏蔽電極與柔性端接兼容，可防止應力開裂。

圖 3：屏蔽電極降低了電容器表面和第一反電極區域的場強。

當在端子上施加超過電容器周圍電離空氣起始電壓的高壓偏壓時，此屏蔽電極的存在可防止電暈放電導致端子和第一反電極之間的電介質擊穿，從而防止快速圖2描述的短路故障模式。

因為屏蔽電極與最近的端子處于相同的電位，所以電場集中在屏蔽電極而不是終端表面和相應的第一反電極中。這最大限度地減少了沿芯片表面的電位差，并增加了爬電距離能力。因此，即使是小外殼尺寸的設備，或使用 X7R 等高孔隙率電介質構建的設備，也可以受益于增強的抗電弧能力以及相關的損壞或設備故障可能性。

屏蔽電極設計的一個例子是 KEMET 的 ArcShield 系列耐電弧 MLCC，在商業或 AEC-Q200 汽車級的小型 EIA 標準外殼尺寸從 0603 到 1812 提供高電壓和高電容。電容值范圍在 500 Vdc 時高達 0.33 μF，在 630 Vdc 時為 0.15 μF，在 1,000 Vdc 時為 0.10 μF。

結論

通過添加屏蔽電極，采用小芯片尺寸封裝的高達 1,000 V 的高電容 MLCC 可以抵抗電弧放電，并大大提高電動汽車和可再生能源發電等應用中高壓電路的可靠性。屏蔽電極設計提供永久保護，并克服了傳統措施（如級聯電極或保形涂層）的缺點。

審核編輯：湯梓紅