Hvordan man implementerer robust, miniature EMI-kontrol til bilindustrien og industrielle strømkonvertere

Det er afgørende for designere at sikre sikkerheden for både udstyr og brugere, og kondensatorer spiller en vigtig rolle. Komponentstørrelse, vægt og pålidelighed er også afgørende i systemer som opladere til elektriske køretøjer, elektromagnetiske interferensfiltre (EMI) i VFD'er (Variable Frequency Drives), LED-drivere og applikationer med høj energitæthed som f.eks. kapacitive strømforsyninger og strømkonvertere.

En fælles udfordring i alle disse applikationer er at finde kompakte og robuste højspændings X1- og X2-sikkerhedskondensatorer til linje-til-linje og Y2-kondensatorer til linje-til-jord EMI-filtrering, der er klassificeret til temperatur/fugt/bias (THB) klasse IIIB til drift fra -40 °C til +125 °C, og som opfylder kravene i IEC 60384-14 (International Electrotechnical Commission) og AEC Q200 (Automotive Electronics Council).

For at opfylde disse krav kan designere bruge miniature polypropylenfilm X1, X2 og Y2 EMI-undertrykkende sikkerhedskondensatorer. De opfylder kravene i IEC 60384-14, er AEC-Q200-kvalificeret og har den højeste klassificering IEC-robusthed til applikationer, der kræver høj pålidelighed og forlænget levetid under barske miljøforhold. Disse miniature selvhelbredende kondensatorer er betydeligt mindre end konventionelle X1-, X2- og Y2-sikkerhedskondensatorer, hvilket giver mulighed for et mindre printpladeareal, mindre vægt og lavere omkostninger.

I denne artikel gennemgår vi kredsløbsanvendelserne for sikkerhedskondensatorer sammen med IEC 60384-14- og AEC-Q200 test- og miljøkrav. Derefter sammenlignes parallel- og seriekonstruktion for X2 kondensatorer af polypropylenfilm og der gives eksempler på miniaturekondensatorer, der er egnede til Y2, X1 og X2 sikkerhedsanvendelser fra KEMET, som opfylder kravene i IEC 60384-14 og er AEC-Q200 kvalificeret. Der er også anbefalinger til lodning af disse kondensatorer.

Sikkerhedskondensatorernes rolle

Sikkerhedskondensatorer har to sikkerhedsrelaterede funktioner. De filtrerer og undertrykker støj, der kommer ind i strømforsyningsnettet, og beskytter udstyr mod potentiel skade fra spændingsspidser forårsaget af lynnedslag, motoromkobling og andre kilder. De beskytter også brugerne af udstyret mod potentielle skader. De er klassificeret og specificeret i henhold til begge funktioner.

Differential-mode EMI fra linje til neutralpunkt håndteres af X-kondensatorer. Y-kondensatorer håndterer common-mode interferens (figur 1). Hvis en X-kondensator svigter, er der risiko for brand. Hvis en Y-kondensator svigter, er der risiko for elektrisk stød for brugerne. X-kondensatorer er konstrueret til at svigte i en kortslutningstilstand for at udløse en sikring eller en afbryder og lukke for forsyningsspændingen for at eliminere brandfare. Brandfaren ved fejl i Y-kondensatorer er meget lille, da disse kondensatorer er konstrueret til at fejle i åben tilstand og beskytte brugerne mod elektriske stød.

Figur 1: X-kondensatorer (blå) er designet til at filtrere EMI fra linje-til-linje interferens, mens Y-kondensatorer (orange) filtrerer linje-til-jord interferens. (Billedkilde: KEMET)

Ud over at blive klassificeret som "X" eller "Y" er EMI-filterkondensatorer specificeret ved deres nominelle driftsspænding og ved den maksimale impulsspænding, de kan håndtere. I tilfælde af Y-kondensatorer klassificeres de yderligere efter, om de har basisisolering eller forstærket isolering. Der er udviklet adskillige standarder, som gælder for disse kondensatorer, herunder IEC 60384-14, Underwriters Laboratories (UL) 1414, UL 1283, Canadian Standards Association (CSA) C22.2 No.1 og CSA 384-14. IEC 60384-14 definerer underklasser af X-kondensatorer efter deres spids impulsspænding og Y-kondensatorer efter deres nominelle spændinger og isoleringskategori. Desuden er der defineret forskellige former for udholdenhedsprøver for de forskellige klasser. X1, X2 og Y2 er blandt de mest anvendte sikkerhedskondensatorer (tabel 1):

• X kondensator underklasser
  • X3-kondensatorer har en maksimal spændingspulsværdi på højst 1,2 kilovolt (kV)
  • X2-kondensatorer har en maksimal spændingspulsværdi på højst 2,5 kV
  • X1-kondensatorer har en spids spænding impulsmåling på over 2,5 og mindre end eller lig med 4,0 kV
• Y-kondensator underklasser
  • Y4-kondensatorer har en nominel spænding på under 150 volt AC (V_AC)
  • Y3-kondensatorer har en nominel spænding fra 150 op til 250 V_AC
  • Y2-kondensatorer har en nominel spænding fra 150 op til 500 V_AC og grundlæggende isolering
  • Y1-kondensatorer har en nominel spænding på op til 500 V_AC og dobbelt isolering

Tabel 1: Eksempler på IEC 60384-14-klassifikationer for X-kondensatorer efter deres spids impuls spænding og Y-kondensatorer efter deres nominelle spænding og isoleringstype. (Kilde til tabellen: KEMET)

Udskiftning af sikkerhedskondensatorer

Som følge af deres forskellige spændingsværdier og forskellige ydeevne kan kun visse typer X- og Y-kondensatorer anvendes som erstatning for andre typer med samme eller højere spændingsværdier. F.eks. har Y1-kondensatorer den samme spændingsklassificering med en højere isoleringsklassificering og kan bruges som erstatning for Y2-kondensatorer. Y-kondensatorer er konstrueret til at kunne svigte åbent og kan anvendes i stedet for X-kondensatorer. Men en X-kondensator er konstrueret til at fejle ved kortslutning og kan ikke erstatte en Y-kondensator (tabel 2). Selv om en X-kondensator kan filtrere EMI tilstrækkeligt, vil den ikke kunne opfylde sikkerhedskriterierne for en Y-kondensator i forhold til linje til jord.

Tabel 2: Nogle Y-kondensatorer kan anvendes i stedet for X-kondensatorer, men X-kondensatorer kan ikke erstattes af Y-kondensatorer. (Kilde til tabellen: KEMET)

Selvhelbredende

Selvhelbredende refererer til en metalliseret kondensators evne til at komme sig efter en kortvarig kortslutning på grund af dielektrisk nedbrydning og hurtigt regenerere sig. Polypropylen anses for at være det bedste materiale med hensyn til selvhelbredende egenskaber. Polypropylens høje iltindhold i overfladen brænder elektrodematerialet omkring fejlområdet af (rydder det). Når fejlen er udbedret, er der et ubetydeligt tab af kapacitet, og kondensatorens andre elektriske egenskaber genoprettes til de nominelle værdier. Ud over brugen af polypropylenfilm er metalliseringsmaterialet og dets tykkelse vigtige faktorer for selvhelingen. Hvis kondensatorerne ikke er omhyggeligt designet, kan optimering af selvhelbredende egenskaber gøre dem mere modtagelige over for ekstreme miljøforhold. Som sådan har de fordel af højere niveauer af kvalifikationstest, som THB.

THB-kvalificering

THB-kvalifikationstestning anvendes almindeligvis til bil-, energi- og industriapplikationer for at måle komponenters langsigtede pålidelighed. THB-testning fremskynder nedbrydningen af komponenter og måler elektriske parametre efter en defineret periode under specificerede AC- eller DC-forspændingsforhold. IEC 60384-14, AMD1:2016, definerer tre THB-klasser I (A og B), II (A og B) og III (A og B) (tabel 3). Kravene for at opfylde den højeste klasse, IIIB, omfatter eksponering for 85 °C og 85 % RH i 1.000 timer. For at bestå testen skal en filmkondensator udvise:

• Kapacitansændring på ≤ 10 %
• Ændring af dissipationsfaktor (∆tan δ) på ≤ 150 * 10^-4 (ved 1 kHz) for kondensatorer med en nominel værdi på > 1 µF)
• Ændring af dissipationsfaktor (∆tan δ) på ≤ 240 * 10^-4 (ved 10 kHz for kondensatorer med en nominel kapacitet på ≤ 1 µF)
• Isoleringsmodstand ≥ 50 % af den oprindelige grænse eller mindst 200 megaohm (MΩ)

Tabel 3: Den seneste udgave af IEC 60384-14 indeholder seks valgmuligheder for THB-testning. (Kilde til tabellen: KEMET)

Miniature X2-kondensatorer

Når der er behov for en X2-kondensator, kan designere henvende sig til KEMET's R53B-serie af radiale kondensatorer af polypropylenfilm, der omfatter kapacitetsværdier fra 0,1 til 22 µF, og som er indkapslet med selvslukkende harpiks i et støbt plasthus, der opfylder kravene til brandbarhed i UL 94 V-0 (Figur 2). Disse miniaturekondensatorer har ledningsafstande fra 15 til 37,5 mm, og de har i gennemsnit 60 % mindre volumen end standard X2-kondensatorer, hvilket muliggør mindre og lettere løsninger. Disse kondensatorer har AEC-Q200-kvalifikation og en klasse IIIB-klassificering til IEC 60384-14 THB-testning.

For eksempel er model R53BI31505000K beregnet til 800 volt DC og 0,15 µF ±10 %, og model R53BI322050S0M er klassificeret til 800 VDC og 0,22 µF ±20 %.

Figur 2: R53B X2-kondensatorer er indkapslet med selvslukkende harpiks i et støbt plasthus, der opfylder UL-kravene til brandfarlighed. (Billedkilde: KEMET)

Sikkerhedskondensatorer i klasse X1/Y2

R41B-serien af X1/Y2-sikkerhedskondensatorer fra KEMET er tilgængelig med kapaciteter fra 0,0022 til 1,2 µF, spændinger på op til 1.500 VDC og tolerancer på ±20% eller ±10%. R41B-kondensatorer, der er pakket på samme måde som R53B-enhederne, har ledningsafstande fra 10 til 37,5 mm, små volumener og klasse IIIB THB-ydeevne. R41B-kondensatorer som R41BF122050T0K (2200 pF og 1.500 VDC) er beregnet til 2.000 timers drift ved 125 °C.

Både R53B- og R41B-sikkerhedskondensatorerne er velegnede til brug i ladere til elbiler, vind- og solenergikonvertere, VFD'er og andre industrielle applikationer samt i SiC- og GaN-baserede strømkonverterdesigns.

Krav til lodning

Sikkerhedskondensatorer med metalliseret polypropylenfilm er elektrisk og miljømæssigt robuste og giver en høj grad af beskyttelse af operatøren, men de kræver særlig opmærksomhed, når de loddes på et printkort. Polypropylen har et smeltepunkt på mellem 160 °C og 170 °C. Når de anvendes med traditionelle tinbly (SnPb)-lodninger, der har en likvidus temperatur på 183 °C, er der enkle teknikker til pålidelig fastgørelse af disse kondensatorer på et printkort.

RoHS-direktivet og miniaturiseringen af komponenterne har kombineret gjort det mere kompliceret at lodde kondensatorer af polypropylenfilm. Direktivet kræver, at der anvendes tin-sølv-kobber- (SnAgCu) eller tin-kobber-legeringer (SnCu). Almindelige loddetemperaturer for de nye legeringer er 217 °C til 221 °C, hvilket medfører øget termisk stress på komponenterne, som kan nedbryde eller beskadige dem permanent. Højere forvarme- og bølgelodningstemperaturer kan skabe skadelige termiske forhold for små komponenter som mini kondensatorer af polypropylenfilm. KEMET anbefaler, at brugerne anvender bølgelodningskurven fra IEC 61760-1 Edition 2, når de anvender sikkerhedskondensatorer af polypropylenfilm (Figur 3).

Figur 3: For at undgå termiske skader ved lodning af sikkerhedskondensatorer af polypropylenfilm anbefaler KEMET, at brugerne anvender bølgelodningskurven fra IEC 61760-1 Edition 2. (Billedkilde: KEMET)

Når manuel lodning er påkrævet, anbefaler KEMET, at temperaturen ved loddekolbens spids indstilles til 350 °C (+10 °C maksimalt). Manuel lodning bør begrænses til 3 sekunder eller mindre for at undgå beskadigelse af komponenter.

Typisk reflow-lodning anbefales ikke til kondensatorer af polypropylenfilm med gennemgående huller. KEMET anbefaler også, at disse kondensatorer ikke sendes gennem en ovn til udhærdning af klæbemiddel, der anvendes til fastgørelse af overflademonterede komponenter. Kondensatorerne skal tilføjes til printkortet, efter at limen til de overflademonterede dele er hærdet. Hvis det er nødvendigt at lade gennemgående hulkomponenter gennemgå en limhærdningsproces, eller hvis reflow-lodning er påkrævet, skal du kontakte fabrikken for at få oplysninger om den tilladte ovntemperaturprofil.

Konklusion

Designerne skal sikre både udstyrets og brugernes sikkerhed og samtidig opfylde de vigtigste designkrav. X- og Y-sikkerhedskondensatorer bruges til at beskytte udstyret mod for store EMI og beskytte brugerne mod skader. Ved hjælp af robuste og pålidelige miniature sikkerheds-kondensatorer med metalliseret film af polypropylen fra KEMET kan designere opfylde IEC 60384-14 klasse IIIB HTB-kravene og kvalificere sig til AEC-Q200. Disse kondensatorer understøtter kompakte, lette og billige løsninger i en række industrielle, EV- og pplikationer til WBG-strømkonverterer.

Anbefalet læsning

1. Hvordan man gør energiinfrastrukturen mere effektiv og pålidelig og samtidig reducerer omkostningerne
2. Hvornår og hvordan man skal bruge brofri Totem-Pole PFC (Power Factor Correction)
3. Design af en mere effektiv effektfaktorkorrektion ved hjælp af halvledere med bred båndgab og digital styring