用于 EMI 滤波和电压隔离的安全电容器

这是关于电源处理应用中使用的电容器的三部分常见问题解答系列中的第一篇文章。在第一篇文章中，我们将探讨用于过滤交流电源线上的电磁干扰（EMI，也称为射频干扰，RFI）、天线耦合以及在 DC/DC 转换器中提供电压隔离的安全电容器。第二部分将探讨“直流链路、储能和脉冲功率电容器”，第三篇也是最后一篇文章将探讨“用于电源转换器输出滤波的电容器”。

EMI 滤波，例如，在交流/直流电源或交流电源供电的电机驱动器中，是安全电容器的主要用途。最近，出现了使用安全电容器提供输入到输出隔离的电容耦合 DC/DC 转换器设计。安全 MLCC 正在天线耦合应用中找到用途。

由于 EMI 滤波器中的电容器连接到交流电源线，因此这些电容器可能会因过电压和瞬变而失效。它们按在电路中的用途分类。线对线连接的电容器称为“X 电容器”，也称为“线对中性线”电容器。从线路连接到地的那些称为“Y 电容器”，也称为“线路旁路电容器”。

X 电容用于差模 EMI 滤波。Y 电容器用于共模 EMI 滤波，绕过电线对地的干扰。由于安全电容器直接连接到电源电压，因此它们可能会受到电压瞬变、电源浪涌、过压条件和导致设备故障的其他压力的影响。它们专为特定的故障模式而设计。X 电容器的故障可能导致火灾。X 电容器设计用于短路故障，这会导致连接到设备的保险丝或断路器打开，从而防止发生火灾的可能性。

安全电容器分类和潜在故障模式（图片来源：Kemet）

Y 电容器短路可能会对使用该设备的人员造成致命的电击危险。因此，Y 电容器设计为失效开路并防止任何可能的电击危险。当设备因 X 电容器故障以及随后在 Y 电容器故障时过流保护装置跳闸而关闭时，设备可以继续运行，但 EMI 滤波将显着降低。

* 2 x Y2 或 Y4 额定值在串联使用时可以桥接双重或加强绝缘。

安全电容器等级和额定值（图片来源：Knowles Capacitors）

安全电容器技术

虽然理论上可以使用多种电容器技术来设计 X 和 Y 安规电容器，但大多数商用设备要么是薄膜电容器，要么是陶瓷电容器。在选择特定应用中使用哪种类型的安全电容器时，需要权衡成本和性能。

当需要更高的电容值时，薄膜电容器可能是最佳选择。薄膜电容器成本更高，但提供自我修复功能，使设备可以从电介质击穿中恢复，而电容仅需少量减少。薄膜电容器的电容和耗散因数在适合工业应用的宽温度范围内保持稳定。

陶瓷安全电容器有多种形式，圆盘电容器（两端和三端）和多层陶瓷电容器 (MLCC)。安全 MLCC 包括额定电压为 250Vrms 的 X2 和 X1/Y2 设备，可提供 I 类 NPO (COG) 和 II 类 X7R 电介质。此外，一些安全 MLCC 专为天线耦合等对空间敏感的应用而设计。

一些安全 MLCC 提供特殊端接以适应恶劣的汽车环境。例如，Murata 提供 KCA 系列 Type MF 安全标准认证金属端子型多层陶瓷电容器。本产品的端子间距离为4mm以上，主要用于电动汽车的车载充电器、逆变器、DC/DC转换器等设备。

用于汽车应用的安全认证金属端子型多层陶瓷电容器。（图片来源：村田）

含铅陶瓷安全电容器提供最高的介电额定值和脉冲能力。它们具有 X1/Y1 安全等级，可处理高达 10kV 的脉冲。它们的电容额定值往往低于薄膜电容器，限制了它们在某些应用中的使用。与薄膜电容器相比，陶瓷器件的成本更低。

与二端子器件相比，三端子陶瓷电容器修改了引线端子的形状以改善高频特性。三端电容器中的一根引线有两个连接。因此，与电容串联的残余电感较低，与两端电容相比，插入损耗有所改善。

三端陶瓷电容性能比较（来源：村田制作所）

安规电容标准

由于短路的 Y 电容器可能导致触电危险，因此 Y 电容器的操作标准高于 X 电容器。在认证过程中，执行的两项关键测试是脉冲和耐久性测试。这样做是为了验证 X/Y 电容器可以承受十次交替极性的脉冲，然后进行 1000 小时的耐久交流寿命测试。完成这两项测试后，电容器必须在交流电压条件下仍能在电路中可靠地工作。这些测试是 IEC 384-14 认证要求的一部分。

EMI/RFI 抑制电容器的设计必须在经过此测试过程后继续令人满意地运行，并继续满足 EMC 指令 EN 50081 的限制。EMI/RFI 电容器必须符合国际安全标准的安全性和易燃性要求，例如如下：

• 欧洲：EN 60384-14

• 美国：UL 60384-14、UL 1283

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

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

使用 X 电容器时的一个设计考虑是需要在电源转换器断电时自动对电容器放电，以符合安全标准。一些供应商提供可以与泄放电阻器（也称为放电电阻器）串联放置的集成电路，当电源电压断开时，泄放电阻器会自动释放 X 电容器中的能量，将能量从暴露的交流插头转移出去并保护设备用户。

直流/直流转换器的电容隔离

在通过隔离栅传输数据时，电容隔离通常与更换光耦合器或变压器有关。它通常与电源隔离无关。Helix Semiconductors 最近开发了一种使用电容器在 DC/DC 转换器中提供电压隔离的技术。

该公司提供三种 MxC 200 DC-DC TL（无变压器隔离）评估板 (EVB) 配置：10W 48V 至隔离非稳压 12V 输出、3W 6V 至隔离非稳压 6V 输出以及 5W 48V 至隔离非稳压 ±12V 和稳压 5V 输出。每个评估板都是独立的，随时可用。

例如，MxC 270-EB-1 48V 至 12V 输出 TL EVB 是一款独立的隔离式 4:1 降压 10W 降压器。4W 配置也可以使用更便宜和更小的组件。

通过隔离屏障电容器提供隔离。根据所需的设备安全分类，将使用不同类型的电容器。用于 10W 操作的 1.5KV 电容器不是 Y1/Y2 安全等级。可根据需要替换安全等级的薄膜电容器。4W TL EVB 配置使用 Y2 安全等级 MLCC 电容器。