质量/电容器博客
高压陶瓷电容器阵列多电容器单元
在现代电子领域，对小型化和性能提升的不懈追求催生了一类能够巧妙平衡……的元件。
高压陶瓷电容器阵列多电容器单元
工程答案
高压陶瓷电容器阵列将多个分立电容器封装在一个元件中，从而可以将分压器、倍压器或缓冲网络组装成一个组件，而不是一排散装元件。该阵列的电气特性并非各部分特性的简单相加：电压在串联元件之间分配，分配比例取决于并联平衡电阻，而内部连接的寄生电感恰好在阵列的工作频率处显现出来。对于设计 100 kV 分压器或紧凑型倍压器的工程师而言，选择的关键因素包括电压分配方程、堆叠的热平衡以及内部元件之间的爬电距离。
- 首先设计电压分配：串联元件需要平衡电阻，否则堆叠电路中容差最小的元件会失效。
- 布局前，检查阵列的寄生谐振频率与工作频率的关系。
- 验证组装好的电池堆在满电压下的爬电距离和局部放电距离，而不是每个元件的爬电距离和局部放电距离。
抽象
本文阐述了多电容阵列的构建方法以及如何为高压电路选择合适的多电容阵列。文章推导了串联分压方程及其对容差的敏感性、脉冲堆叠的能量方程以及用于检测布局问题的谐振检查方法。随后，文章介绍了现场应用的痛点（分配不均、热点元件、堆叠层局部放电）、高压电容阵列系列，并展示了一个通过重新设计分压器堆叠将精密千伏级探头的误差预算降低了一个数量级的案例。
1. 应用场景：一个物体，多个电容器，共用一个电压
多电容单元解决了高压设计中两个反复出现的难题：空间和组装可靠性。一个由十个 10 kV 圆片电容器组成的 100 kV 分压器堆叠需要十个本体、十个焊点以及精心设计的机械梯形结构；而阵列式电容器则将相同的电容器链封装在一个带有内部连接的整体式或多元件本体中。阵列式电容器缩小了布局尺寸，消除了现场容易失效的焊点，并提供了手工焊接堆叠无法保证的明确爬电路径。
当电容器串联用于分压时，每个元件所占的电压份额取决于其电容和并联漏电流。对于设计良好的电容器组而言，电容分压比是关键指标：
对于脉冲或能量位置，该阵列表现得像一个电容器，其有效值由串联连接决定，能量由充电电压决定：
三、技术要求
2.1 电压分配和平衡电阻。 实际电容器存在容差和温度系数，因此分压并非理想情况。最坏情况下，最小的电压会压在最小值的元件上；如果该电压超过其额定值，则该元件首先失效，然后整个电容器组失效。并联平衡电阻用于均衡直流分压：
2.2 热平衡和热点管理。 在脉冲阵列中，热量集中在电流最大、损耗最高的元件上；热点会加速电压最高处的元件老化。每个元件的损耗与其耗散因子成正比：
2.3 寄生谐振和布局电感。 阵列的内部连接会增加电感，并且阵列具有自谐振频率。如果电路驱动阵列的工作频率接近该谐振频率，则阻抗会急剧下降，电流会集中在最小的元件上：
2.4 堆叠层爬升和PD。 单个元件可能保持清洁，但组装好的堆叠体会在元件间的爬电间隙或内部连接处发生放电。阵列的合格评定是在堆叠体层面进行的：
图 1 — 一个四元件阵列分配总电压；最坏情况下的份额落在值最低的元件上，这就是为什么平衡和匹配很重要。
3. 工程师痛点（现场反馈）
痛点 1 — 堆栈在最低值元素处失败。 “分压器在额定功率的 80% 时失效，而且总是在同一位置失效。” 电容最小的元件损耗最大。将各元件的电容值匹配到 ±2% 的范围内，并添加平衡电阻，彻底解决了故障问题。
疼痛 2 — 其中一项指标明显过热。 热成像显示堆叠层中间有一个红点。该发热元件承受的电压份额最高，损耗也最大。均衡电压份额并降低阵列的损耗角正切值（tan δ）后，温度分布趋于平缓。
疼痛 3 — PD 仅出现在组装好的探针中。 “每个元件单独测试都合格；探针未能通过筛选。”组装好的电池堆中各元件之间的漏电在工作电压下发生。电池堆级局部放电测试发现了元件级测试遗漏的组装问题。
4. 阵列与离散堆栈的比较
| 属性 | 分立式磁盘堆栈 | 多电容阵列 |
|---|---|---|
| 每100kV分压器的焊点 | 20+ | 内部，很少 |
| 值匹配 | 购入 | 匹配度为±2% |
| 爬升控制 | 取决于布局 | 由车身设计定义 |
| 寄生电感 | 布局相关 | 特征化，f_SR 已知 |
| 现场故障模式 | 焊料疲劳、热焊点 | 较少，符合堆栈要求 |
如何使用此比较方法。 对于一次性的实验室隔断，离散堆叠可能可以接受；对于必须始终如一地组装并能承受振动的产品，阵列在接头、匹配和确定爬电距离方面更胜一筹。
5. 选择和HVC解决方案
| 职务 | HVC系列 | 电压 | 关键规格 |
|---|---|---|---|
| 除法器/乘法器堆栈 | 光盘阵列 | 高达 100 kV 的堆 | 匹配度±2%，PD < 5 pC |
| 脉冲/能量库 | HVCT8G | 20–150 伏 | 低ESR，低tanδ |
| 平衡/分压电阻 | HVR-F纬度 | 5–50 伏 | ±1%，匹配的TCR |
① 匹配的元素。 阵列交付时已测量并匹配了电容分布，因此在构建电路之前就限制了最坏情况下的电压份额。
② 已鉴定的寄生虫。 自谐振频率和 ESR 均有记录，以便布局工程师能够使工作频率远离谐振频率。
③ 堆栈级别资格认证。 在组装好的堆叠体上，以额定值的 1.2 倍进行 PD、爬电和热平衡验证，与该部件的使用方式相符。
6. 工程案例研究（参考资料）
一家计量公司用十个单独购买的 10 kV 圆盘组装了一个便携式 100 kV 探头；由于手工组装的圆盘之间存在爬电，各部件之间的分压比存在 2.5% 的偏差，且探头在 80 kV 时未能通过局部放电检测。重新设计后，采用了带有内部连接和平衡电阻的匹配多电容阵列。以下是改进后的对比：
| 测量参数 | 之前（离散堆栈） | 之后（匹配数组） |
|---|---|---|
| 单位除法比率 | ±2.5％ | ±0.2％ |
| 80 kV 的局部放电 | 失败，25 pC | < 5 pC |
| 热点地区温度升高 | 28ķ | 9ķ |
| 每个探针的组装时间 | 3小时手工接线 | 20分钟 |
多电容阵列并非只是将一堆电容装进一个小盒子里；它是一个经过精心设计的电压分配系统。通过匹配元件、表征寄生参数以及在堆叠层面进行验证，该阵列能够提供手工焊接堆叠电路才能达到的可靠性。
7. 设计考虑
- 设定最坏情况下的份额上限： V_share,max = V/N · (1+ΔC/C) 与交付的匹配。
- 添加平衡电阻。 检查直流位置，并检查交流损耗分配情况。
- 检查谐振裕度： 保持工作频率比阵列的自谐振频率低 5 倍。
验证清单
- 测量堆叠电压下每个元件的电压份额，并记录最差情况。
- 以全功率运行热扫描，并确认热点在元件额定范围内。
- 对组装好的堆叠物进行 PD 的 1.2 × 额定浓度筛选，并记录 pC 计数。
- 验证计量级分频器在 -25…+85 °C 范围内的分频比稳定性。
8。 参考
- [1] IEC 60384-1， 电子设备用固定电容器——第1部分：通用规范IEC，2018。
- [2] IEC 60060-1， 高压测试技术——第 1 部分：一般定义和测试要求IEC，2010。
- [3] MS Naidu，V. Kamaraju， 高压工程，第 5 版，麦格劳-希尔教育出版社，2013 年。
- [4] 陈景亮、姚学玲、孙伟,《高电压试验技术》(高电压试验技术), 西安交通大学出版社 (西安交通大学出版社), 2013. (中文学术专着)
- [5] Vishay Intertechnology, 高压电容器：分压器和脉冲应用说明Vishay，2020。（品牌应用说明）
- [6] TDK电子公司， 电力电子用高压电容器：选型指南TDK，2020。（品牌选择指南）
相关HVC产品页面： 电容器交叉参考.