Slik implementerer du robust miniatyrstyring for elektromagnetisk interferens (EMI) i strømomformere for kjøretøy og industrielle konstruksjoner

Sikringstiltak for både utstyr og brukere er avgjørende for konstruktører, og kondensatorer spiller en viktig rolle. Et annet kritisk element er komponentenes størrelse, vekt og pålitelighet i systemer som ladere for elektriske kjøretøy (EV), filtre for elektromagnetisk interferens (EMI) i drivenheter med variabel frekvens (VFD), lysdiodedrivere og konstruksjoner med høy energitetthet som kapasitive strømforsyninger og strømomformere.

En vanlig utfordring for alle disse konstruksjonene er å anskaffe kompakte og robuste høyspente X1- og X2-sikkerhetskondensatorer for linje-til-linje, og Y2-kondensatorer for linje-til-jord EMI-filtrering som er klassifisert for temperatur/fuktighet/forspenning (THB) grad IIIB, for drift i temperaturområder fra –40 °C til +125 °C, og som oppfyller kravene til ICE 60384-14 (ICE – international electrotechnical commission) og AEC Q200 (ACE – automotive electronics council).

For å oppfylle disse kravene kan konstruktører bruke miniatyr-polypropylenfilm X1-, X2- og Y2-sikkerhetskondensatorer med EMI-undertrykkelse. Disse oppfyller kravene i IEC 60384-14, samsvarer med AEC-Q200 og har den høyeste IEC-klassifiseringen for robusthet for konstruksjoner som krever høy pålitelighet og forlenget levetid under tøffe miljøforhold. Disse selvhelbredende kondensatorene er betydelig mindre enn konvensjonelle X1-, X2- og Y2-sikkerhetskondensatorer, noe som muliggjør mindre kretskortområde, redusert vekt og lavere kostnader.

Denne artikkelen gjennomgår kretskonstruksjoner for sikkerhetskondensatorer, samt test- og miljøkravene i IEC 60384-14 og AEC-Q200. Den sammenligner deretter parallell- og seriekonstruksjon for X2-polypropylen-filmkondensatorer og presenterer eksempler på miniatyrkondensatorer som er egnet for Y2-, X1- og X2-sikkerhetskonstruksjoner fra KEMET, som oppfyller kravene i IEC 60384-14 og er kvalifisert for AEC-Q200. Det gis også anbefalinger for lodding av disse kondensatorene.

Rollen til sikkerhetskondensatorer

Sikkerhetskondensatorer har to sikkerhetsrelaterte funksjoner. De filtrerer og undertrykker støy som oppstår på strømfordelingsnettverket, og de beskytter utstyr mot potensielle skader fra spenningstopper (transienter) forårsaket av lyn, motorkommutasjon og andre kilder. De beskytter også utstyrsbrukere mot potensielle personskader. De er klassifisert og spesifisert i henhold til begge funksjonene.

Differensialmodus-EMI fra linje-til-nøytral håndteres av X-kondensatorer. Y-kondensatorer håndterer fellesmodusinterferens (figur 1). Hvis en X-kondensator svikter, er det mulighet for brann. Hvis en Y-kondensator svikter, er det fare for elektrisk støt for brukere. X-kondensatorer er konstruert for å svikte i en kortslutningstilstand for å utløse en sikring eller automatsikring og slå av forsyningsspenningen slik at brannfaren elimineres. Brannfaren fra feil i Y-kondensatorer er svært lav, fordi disse kondensatorene er konstruert for å svikte i åpen tilstand og beskytte brukere mot elektriske støt.

Figur 1: X-kondensatorer (blå) er konstruert slik at de filtrerer elektromagnetisk interferens (EMI) fra linje-til-linje-interferens, mens Y-kondensatorer (oransje) filtrerer linje-til-jord-interferens. (Bildekilde: KEMET)

I tillegg til å være klassifisert som «X» eller «Y», er EMI-filterkondensatorer spesifisert av deres nominelle driftsspenning og av spissimpulsspenningen de er i stand til å håndtere. Når det kommer til Y-kondensatorer, klassifiseres disse i henhold til om de har grunnleggende eller forsterket isolasjon. Det er utviklet en rekke standarder som gjelder for disse kondensatorene, deriblant IEC 60384-14, UL (Underwriters Laboratories) 1414, UL 1283, CSA (Canadian Standards Association) C22.2 No.1 og CSA 384-14. IEC 60384-14 definerer underklasser av X-kondensatorer ved å se på spissimpulsspenningen, og Y-kondensatorer ved å se på deres nominelle spenninger og isolasjonskategori. I tillegg er det definert ulike typer utholdenhetstester for de forskjellige klassene. X1, X2 og Y2 er blant de mest brukte sikkerhetskondensatorene (tabell 1):

• Underklasser av X-kondensatorer
  • X3-kondensatorer har en nominell spisspenningspuls på mindre enn eller lik 1,2 kilovolt (kV)
  • X2-kondensatorer har en nominell spisspenningspuls på mindre enn eller lik 2,5 kV
  • X1-kondensatorer har en nominell spisspenningspuls på over 2,5 og mindre enn eller lik 4,0 kV
• Underklasser av Y-kondensatorer
  • Y4-kondensatorer har en nominell spenning på under 150 volt vekselstrøm (V_AC)
  • Y3-kondensatorer har en nominell spenning fra 150 til opptil 250 V_AC
  • Y2-kondensatorer har en nominell spenning fra 150 til opptil 500 V_AC og grunnleggende isolasjon
  • Y1-kondensatorer har en nominell spenning på opptil 500 V_AC og dobbel isolasjon

Tabell 1: Eksempler på IEC 60384-14-klassifiseringer for X-kondensatorer i henhold til deres spissimpulsspenning og Y-kondensatorer i henhold til deres nominelle spenning og isolasjonstype. (Tabellkilde: KEMET)

Erstatninger for sikkerhetskondensatorer

Som et resultat av deres forskjellige spenningsklassifiseringer og forskjellige ytelsesegenskaper, kan kun visse typer X- og Y-kondensatorer brukes som erstatninger for andre typer med samme eller høyere spenningsgrader. For eksempel har Y1-kondensatorer samme spenningsklassifisering med høyere isolasjonsklassifisering, og de kan brukes som erstatning for Y2-kondensatorer. Y-kondensatorer er konstruert for å svikte åpne, og de kan brukes i stedet for X-kondensatorer. En X-kondensator er imidlertid konstruert for å svikte kortsluttet, og de kan ikke erstatte en Y-kondensator (tabell 2). Mens en X-kondensator er i stand til å filtrere elektromagnetisk interferens på en tilfredsstillende måte, er den ikke i stand til å støtte sikkerhetskriteriene for linje-til-jord for en Y-kondensator.

Tabell 2: Noen Y-kondensatorer kan brukes i stedet for X-kondensatorer, men X-kondensatorer kan ikke erstatte Y-kondensatorer. (Tabellkilde: KEMET)

Selvhelbredning

Selvhelbredning refererer til evnen en metallisert kondensator har til å gjenopprettes etter eksponering til en kortvarig kortslutning på grunn av dielektrisk sammenbrudd, og raskt regenerere. Polypropylen anses som det beste materialet når det gjelder selvhelbredelse. Det høye overflateoksygeninnholdet i polypropylen brenner av (fjerner) elektrodematerialet rundt feilområdet. Når feilen er fjernet, er det et ubetydelig tap av kapasitans, og de andre elektriske egenskapene til kondensatoren gjenopprettes til nominelle verdier. I tillegg til bruken av polypropylenfilm, er metalliseringsmaterialet og tykkelsen til dette viktige faktorer for selvhelbredelse. Hvis kondensatorene ikke er nøye konstruert, kan optimalisering for selvhelbredelse gjøre dem mer utsatt for ekstreme miljøforhold. Som sådan drar de nytte av høyere nivåer av kvalifikasjonstesting, for eksempel THB.

THB-kvalifisering

THB-kvalifikasjonstesting brukes ofte for kjøretøy-, energi- og industrikonstruksjoner for å måle komponenters langsiktige pålitelighet. THB-testing akselererer komponentnedbrytning og måler elektriske parametere etter en definert periode under spesifiserte AC- eller DC-forspenningstilstander. IEC 60384-14, AMD1:2016 definerer tre THB-grader, I (A og B), II (A og B) og III (A og B) (tabell 3). Krav for å oppfylle høyeste grad, IIIB, inkluderer eksponering overfor 85 °C og 85 % RH i 1000 timer. For å bestå testen, må en filmkondensator demonstrere følgende:

• Kapasitansendring på ≤ 10 %
• Endring i avledningsfaktor (∆tan δ) på ≤ 150 * 10⁻⁴ (ved 1 kilohertz (kHz) for kondensatorer som er klassifisert for > 1 mikrofarad (µF))
• Endring i avledningsfaktor (∆tan δ) på ≤ 240 * 10⁻⁴ (ved 10 kHz for kondensatorer som er klassifisert for ≤ 1 µF)
• Isolasjonsmotstand ≥ 50 % av den opprinnelige grensen eller minst 200 megaohm (MΩ)

Tabell 3: Den nyeste utgaven av IEC 60384-14 inneholder seks alternativer for THB-testing. (Tabellkilde: KEMET)

X2-kondensatorer i miniatyrformat

Når det er behov for en X2-kondensator, kan konstruktører bruke KEMET sin R53B-serie med radielle polypropylen-filmkondensatorer, som inkluderer kapasitansverdier fra 0,1 til 22 uF, og som er innkapslet med selvslukkende harpiks i et støpt plastetui som oppfyller brennbarhetskravene til UL 94 V-0 (figur 2). Disse miniatyrkondensatorene har blyinndelinger fra 15 til 37,5 millimeter (mm), og de har gjennomsnittlig 60 % mindre volum enn standard X2-kondensatorer, noe som muliggjør mindre og lettere løsninger. Disse kondensatorene har AEC-Q200-kvalifikasjon og en klasse IIIB-klassifisering for IEC 60384-14 THB-testing.

For eksempel er modellen R53BI31505000K klassifisert for 800 volt likestrøm (VDC) og 0,15 uF ±10 %, og modellen R53BI322050S0M er klassifisert for 800 VDC og 0,22 uF ±20 %.

Figur 2: R53B X2-kondensatorer er innkapslet med selvslukkende harpiks i et støpt plastetui som oppfyller UL-brennbarhetskrav. (Bildekilde: KEMET)

Klasse X1/Y2-sikkerhetskondensatorer

X1/Y2-sikkerhetskondensatorer i R41B-serien fra KEMET er tilgjengelige med kapasitanser fra 0,0022 til 1,2 µF, spenningsklassifiseringer på opptil 1500 VDC og toleranser på ±20 % eller ±10 %. R41B-kondensatorer er innkapslet på samme måte som R53B-enhetene, og de har blyinndelinger fra 10 til 37,5 mm, små volumer og klasse IIIB THB-ytelse. R41B-kondensatorer som R41BF122050T0K (2200 pikofarad (pF) og 1500 VDC) er klassifisert for 2000 driftstimer ved 125 °C.

Både R53B- og R41B-sikkerhetskondensatorene er egnet for bruk i elbilladere, vind- og solenergiomformere, VFD-er og andre industrielle konstruksjoner og i SiC- og GaN-baserte strømomformere.

Krav til lodding

Metalliserte sikkerhetskondensatorer med polypropylenfilm er elektrisk og miljømessig robuste og gir høye nivåer av operatørbeskyttelse, men de krever nøye oppmerksomhet når de loddes til et kretskort. Polypropylen har et smeltepunkt på mellom 160 °C og 170 °C. Når de brukes med tradisjonelle tinn-bly-loddinger (SnPb) som har en likvidustemperatur på 183 °C, kan enkle teknikker brukes for å pålitelig feste disse kondensatorene til et kretskort.

RoHS-direktivet og komponentminiatyrisering har slått seg sammen for å gjøre det mer komplekst å lodde polypropylen-filmkondensatorer. Direktivet krever bruk av legeringer som tinn-sølv-kobber (SnAgCu) eller tinn-kobber (SnCu). Vanlige loddetemperaturer for de nye legeringene er 217 °C til 221 °C, noe som forårsaker økt termisk stress på komponentene og kan føre til nedbrytning eller permanent skade. Høyere forvarmings- og smelteloddingstemperaturer kan skape skadelige termiske forhold for små komponenter, for eksempel polypropylen-filmkondensatorer i miniatyrformat. KEMET anbefaler at brukere implementerer smelteloddingskurven fra IEC 61760-1 utgave 2 når de bruker sikkerhetskondensatorer av polypropylenfilm (figur 3).

Figur 3: For å forhindre termisk skade ved lodding av sikkerhetskondensatorer av polypropylenfilm, anbefaler KEMET at brukere implementerer smelteloddingskurven fra IEC 61760-1 utgave 2. (Bildekilde: KEMET)

Når manuell lodding er nødvendig, anbefaler KEMET at temperaturen på spissen til loddejernet er satt til 350 °C (+10 °C maksimum). Manuell lodding bør begrenses til 3 sekunder eller mindre for å unngå komponentskader.

Typisk påsmeltingslodding anbefales ikke for hullmonterte polypropylen-filmkondensatorer. KEMET anbefaler også at disse kondensatorene ikke sendes gjennom en limgelatineringsovn som brukes til å feste overflatemonterte komponenter. Kondensatorene bør legges til på kretskortet etter herding av limet på de overflatemonterte delene. Hvis det er nødvendig for hullmonterte komponenter å gå gjennom en limherdeprosess, eller hvis smeltelodding er nødvendig, kan du konsultere fabrikken for å få informasjon om profilen for tillatt ovnstemperatur.

Konklusjon

Konstruktører må sikre både utstyr og brukersikkerhet, samtidig som de oppfyller viktige konstruksjonskrav. X- og Y-sikkerhetskondensatorer brukes til å beskytte utstyr mot overdreven elektromagnetisk interferens og beskytte brukere mot personskade. Ved å bruke robuste og pålitelige miniatyrversjoner av metalliserte polypropylen-filmkondensatorer fra KEMET, kan konstruktører oppfylle IEC 60384-14 klasse IIIB HTB-krav og kvalifisere seg til AEC-Q200. Disse kondensatorene støtter kompakte, lette og prisgunstige løsninger for en rekke konstruksjoner for industrien, elektriske kjøretøy og WBG-strømomformere.

Anbefalt lesing

1. Slik gjør du energiinfrastrukturen mer effektiv og pålitelig, samtidig som kostnadene reduseres
2. Slik bruker du totempæl-effektfaktorkorreksjon uten bro
3. Utvikle mer effektiv effektfaktorkorreksjon ved å bruke halvledere med bred båndavstand og digital styring