Jak implementovat robustní, miniaturní řešení na potlačení rušení (EMI) pro automobilové a průmyslové měniče energie

Zajištění bezpečnosti zařízení i uživatelů je pro konstruktéry zásadní a kondenzátory hrají klíčovou roli. Rozhodující jsou také velikost komponent, hmotnost a spolehlivost v systémech, jako jsou nabíječky elektrických vozidel (EV), odrušovací filtry EMI ve frekvenčních měničích (VFD), LED řadiče a aplikace s vysokou energetickou hustotou, jako jsou kapacitní napájecí zdroje a výkonové měniče.

Společnou výzvou ve všech těchto aplikacích je získání kompaktních a robustních vysokonapěťových bezpečnostních kondenzátorů X1 a X2 pro EMI odrušování mezi fázemi a kondenzátorů Y2 pro EMI odrušování mezi fází a zemí, které jsou dimenzovány na teplotu/vlhkost/předpětí (THB) podle třídy Grade IIIB pro provoz od -40 °C do +125 °C a splňují požadavky Mezinárodní elektrotechnické komise (IEC) 60384-14 a Rady pro elektroniku v automobilovém průmyslu (AEC) Q200.

Pro splnění těchto požadavků mohou konstruktéři použít miniaturní odrušovací bezpečnostní kondenzátory s polypropylenovou fólií X1, X2 a Y. Tyto součástky splňují požadavky normy IEC 60384-14, jsou kvalifikovány podle normy AEC-Q200 a mají nejvyšší klasifikaci odolnosti IEC pro aplikace vyžadující vysokou spolehlivost a prodlouženou životnost v náročných podmínkách okolního prostředí. Tyto miniaturní kondenzátor se samoopravným efektem jsou výrazně menší než běžné bezpečnostní kondenzátory X1, X2 a Y2, což umožňuje snížit velikost desky plošných spojů (PC), hmotnost i náklady.

Tento článek vyhodnocuje obvodové aplikace pro bezpečnostní kondenzátory společně s požadavky na testování a okolní prostředí podle norem IEC 60384-14 a AEC-Q200. Poté porovnává paralelní a sériovou konstrukci polypropylenových filmových kondenzátorů X2 a uvádí příklady miniaturních kondenzátorů vhodných pro bezpečnostní aplikace Y2, X1 a X2 od společnosti KEMET které splňují požadavky normy IEC 60384-14 a jsou kvalifikovány podle AEC-Q200. Jsou také uvedena doporučení pro pájení těchto kondenzátorů.

Úloha bezpečnostních kondenzátorů

Bezpečnostní kondenzátory plní dvě bezpečnostní funkce. Filtrují a potlačují rušení vstupující do distribuční sítě a chrání zařízení před možným poškozením napěťovými špičkami způsobenými bleskem, komutací motorů a dalšími zdroji. Dále chrání uživatele zařízení před možným zraněním. Jsou klasifikovány a specifikovány podle obou funkcí.

Odrušování EMI v diferenciálním režimu mezi fází a zemí je řešeno kondenzátory X. Kondenzátory Y provádějí odrušování v souhlasném režimu (obrázek 1). Pokud selže kondenzátor X, vzniká riziko požáru. Pokud selže kondenzátor Y, hrozí uživatelům úraz elektrickým proudem. Kondenzátory X jsou navrženy tak, aby se při poruše zkratovaly, spustily pojistku nebo jistič, který vypne napájecí napětí, čímž se vyloučí nebezpečí požáru. Nebezpečí požáru v důsledku selhání kondenzátoru Y je velmi nízké, protože tyto kondenzátory jsou navrženy tak, aby selhaly v rozpojeném stavu a chránily uživatele proti úrazu elektrickým proudem.

Obrázek 1: kondenzátory X (modré) jsou navrženy tak, aby filtrovaly rušení EMI mezi fázemi, zatímco kondenzátory Y (oranžové) jsou určeny k filtraci rušení mezi fází a zemí. (Zdroj obrázku: KEMET)

Kromě toho, že jsou klasifikovány jako „X“ nebo „Y“, jsou odrušovací kondenzátory EMI specifikovány svým jmenovitým provozním napětím a impulsním napětím ve špičce, které jsou schopné zpracovat. Kondenzátory Y se dále klasifikují podle toho, zda mají základní nebo zesílenou izolaci. Byla vyvinuta řada norem, které se na tyto kondenzátory vztahují, včetně IEC 60384-14, Underwriters Laboratories (UL) 1414, UL 1283, Kanadské normalizační asociace (CSA) C22.2 No.1 a CSA 384-14. Norma IEC 60384-14 definuje podtřídy kondenzátorů X podle jejich impulsního napětí ve špičce a kondenzátorů Y podle jejich jmenovitého napětí a kategorie izolace. Pro různé třídy jsou dále definovány různé formy zkoušek odolnosti. K nejpoužívanějším bezpečnostním kondenzátorům patří X1, X2 a Y2 (tabulka 1):

• Podtřídy kondenzátorů X
  • Kondenzátory X3 mají jmenovité impulzní napětí ve špičce menší nebo rovné 1,2 kV.
  • Kondenzátory X2 mají jmenovité impulzní napětí ve špičce menší nebo rovné 2,5 kV.
  • Kondenzátory X1 mají jmenovité impulzní napětí ve špičce vyšší než 2,5 a menší nebo rovné 4,0 kV.
• Podtřídy kondenzátorů Y
  • Kondenzátory Y4 mají jmenovité napětí nižší než 150 V_AC.
  • Kondenzátory Y3 mají jmenovité napětí od 150 do 250 V_AC.
  • Kondenzátory Y2 mají jmenovité napětí od 150 do 500 V_AC a základní izolaci.
  • Kondenzátory Y1 mají jmenovité napětí až 500 V_AC a dvojitou izolaci.

Tabulka 1: příklady klasifikace podle normy IEC 60384-14 pro kondenzátory X podle jejich impulsního napětí ve špičce a kondenzátory Y podle jejich jmenovitého napětí a typu izolace. (Zdroj tabulky: KEMET)

Náhrady bezpečnostních kondenzátorů

V důsledku jejich různých jmenovitých napětí a výkonnostních parametrů lze jako náhrady za jiné typy se stejnými nebo vyššími jmenovitými napětími používat pouze určité typy kondenzátorů X a Y. Například kondenzátory Y1 mají stejné jmenovité napětí s vyšší izolační hodnotou a lze je použít jako náhradu za kondenzátory Y2. Kondenzátory Y jsou navrženy tak, aby se při poruše rozpojily, a lze je použít místo kondenzátorů X. Kondenzátor X je však navržen tak, se při poruše zkratovat a proto nemůže nahradit kondenzátor Y (tabulka 2). Ačkoli by kondenzátor X by mohl provádět adekvátní odrušování, nepodporoval by bezpečnostní kritéria pro kondenzátor Y zapojený mezi fází a zemí.

Tabulka 2: ačkoli lze některé kondenzátory Y používat jako kondenzátory Y, X kondenzátory nelze nahradit kondenzátory Y. (Zdroj tabulky: KEMET)

Samoopravný efekt

Samoopravný efekt vyjadřuje schopnost metalizovaného kondenzátoru zotavit se z vystavení krátkodobému zkratu v důsledku dielektrického průrazu a rychle se regenerovat. Z hlediska samoopravného efektu je za nejlepší materiál považován polypropylén. Vysoký obsah povrchového kyslíku v polypropylenu spálí (vyčistí) materiál elektrody kolem oblasti poruchy. Jakmile je porucha odstraněna, dochází k nevýznamné ztrátě kapacity a ostatní elektrické vlastnosti kondenzátoru jsou obnoveny na jmenovité hodnoty. Kromě použití polypropylenové fólie jsou důležitými faktory pro samoopravný efekt materiál pokovení a jeho tloušťka. Pokud kondenzátory nejsou pečlivě navrženy, optimalizací pro samoopravný efekt se mohou stát citlivějšími na extrémní podmínky prostředí. Jako takové mají prospěch z vyšší úrovně kvalifikačního testování, jako je THB (teplota, vlhkost, předpětí).

Kvalifikace THB

Kvalifikační testování teploty, vlhkosti a předpětí (THB) se běžně používá pro automobilové, energetické a průmyslové aplikace k posouzení dlouhodobé spolehlivosti součástí. Testování THB urychluje degradaci součástek a měří elektrické parametry po definované době za specifikovaných podmínek střídavého nebo stejnosměrného předpětí. Normy IEC 60384-14, AMD1:2016 definují tři stupně THB I (A a B), II (A a B) a III (A a B) (tabulka 3). Požadavky na splnění nejvyššího stupně, IIIB, zahrnují vystavení 85°C a 85% RH po dobu 1000 hodin. Aby fóliový kondenzátor vyhověl testu, musí prokázat následující změny:

• Změna kapacity ≤ 10 %
• Změna rozptylového faktoru (∆tan δ) ≤ 150 * 10⁻⁴ (při 1 kHz pro kondenzátory dimenzované na > 1 µF))
• Změna rozptylového faktoru (∆tan δ) ≤ 240 * 10⁻⁴ (při 10 kHz pro kondenzátory dimenzované na ≤ 1 µF)
• Izolační odpor ≥ 50 % počátečního limitu nebo minimálně 200 megaohmů (MΩ)

Tabulka 3: nejnovější vydání normy IEC 60384-14 obsahuje šest možností volby testování THB. (Zdroj tabulky: KEMET)

Miniaturní kondenzátory X2

Pokud konstruktéři potřebují kondenzátor X2, mohou využít radiální kondenzátory z polypropylenové fólie řady R53B od společnosti KEMET zahrnující hodnoty kapacity 0,1 až 22 µF, které jsou zapouzdřené v samozhášecí pryskyřici v lisovaném plastovém pouzdře splňujícím požadavky na hořlavost podle normy UL 94 V-0 (obrázek 2). Tyto miniaturní kondenzátory mají rozteč vodičů 15 až 37,5 mm a v průměru mají o 60 % menší objem než standardní kondenzátory X2, což umožňuje menší a lehčí řešení. Tyto kondenzátory mají kvalifikaci AEC-Q200 a třídu IIIB pro testování IEC 60384-14 THB.

Například model R53BI31505000K je dimenzován na stejnosměrné napětí 800 VDC s kapacitou 0,15 µF ±10 %, model R53BI322050S0M je dimenzován na 800 VDC s kapacitou 0,22 µF ±20 %.

Obrázek 2: kondenzátory R53B X2 jsou zapouzdřené v samozhášecí pryskyřici v lisovaném plastovém pouzdře, které splňuje požadavky UL na hořlavost. (Zdroj obrázku: KEMET)

Bezpečnostní kondenzátory třídy X1/Y2

Bezpečnostní kondenzátory X1/Y2 řady R41B od společnosti KEMET jsou k dispozici v kapacitách 0,0022 až 1,2 µF, jmenovitém napětím až 1 500 VDC a tolerancemi ±20 % nebo ±10 %. Kondenzátory R41B používající podobné pouzdro jako součástky R53B, mají rozteč vývodů 10 až 37,5 mm, malé objemy a výkonnost třídy IIIB THB. Kondenzátory R41B, například R41BF122050T0K (2 200 pF a 1 500 VDC) jsou dimenzovány na 2 000 hodin provozu při 125 °C.

Oba bezpečnostní kondenzátory R53B a R41B jsou vhodné pro použití v palubních nabíječkách EV, měničích větrné a solární energie, frekvenčních pohonech a dalších průmyslových aplikacích, a v konstrukcích měničů výkonu na bázi SiC a GaN.

Požadavky na pájení

Bezpečnostní kondenzátory s metalizovanou polypropylenovou fólií jsou elektricky a ekologicky odolné a poskytují vysokou úroveň ochrany operátora, vyžadují však zvláštní pozornost při pájení na desku plošných spojů. Polypropylen má bod tání mezi 160 °C a 170 °C. Při použití s tradičními cíno-olověnými (SnPb) pájkami, které mají tavicí teplotu 183 °C, lze k spolehlivému připojení těchto kondenzátorů na desku plošných spojů používat jednoduché metody.

Vlivem spojení směrnice RoHS a miniaturizace součástí se pájení kondenzátorů s polypropylenovou fólií stalo složitější. Směrnice požaduje použití slitin cínového stříbra a mědi (SnAgCu) nebo slitin cínové mědi (SnCu). Běžné teploty pájení pro nové slitiny jsou 217 °C až 221 °C, což způsobuje zvýšené tepelné namáhání součástí, které je může narušit nebo trvale poškodit. Vyšší teploty předehřátí a pájení vlnou mohou vytvořit škodlivé tepelné podmínky pro malé součástky, jako jsou miniaturní kondenzátory z polypropylenové fólie. Společnost KEMET doporučuje uživatelům, aby při používání bezpečnostních kondenzátorů z polypropylenové fólie implementovali křivku pájení vlnou z IEC 61760-1 Edition 2 (obrázek 3).

Obrázek 3: Aby se zabránilo tepelnému poškození při pájení bezpečnostních kondenzátorů s polypropylenovou fólií, společnost KEMET doporučuje uživatelům implementovat křivku pájení vlnou podle normy IEC 61760-1, 2. vydání. (Zdroj obrázku: KEMET)

Pokud je vyžadováno ruční pájení, společnost KEMET doporučuje nastavit teplotu hrotu páječky na 350 °C (max. +10 °C). Ruční pájení by mělo být omezeno na 3 sekundy nebo méně, aby nedošlo k poškození součástky.

U kondenzátorů s polypropylenovou fólií s průchozí otvorem se nedoporučuje používat typické pájení přetavením. Společnost KEMET dále doporučuje, aby tyto kondenzátory nebyly vkládány do vytvrzovací pece na lepidlo používanou k připevňování součástek pro povrchovou montáž. Kondenzátory by měly být na desku plošných spojů přidány až po vytvrzení lepidla pro součástky povrchovou montáží. Je-li nutné, aby součástky s průchozím otvorem procházely procesem vytvrzování lepidla nebo je-li vyžadováno pájení přetavením, obraťte se na výrobce s žádostí o podrobnosti o přípustném teplotním profilu pece.

Závěr

Konstruktéři musejí zajistit bezpečnost zařízení i uživatele a zároveň splnit klíčové požadavky na design. Bezpečnostní kondenzátory X a Y se používají k ochraně zařízení před nadměrným elektromagnetickým rušením (EMI) a uživatelů před možnými újmami. Použitím odolných a spolehlivých miniaturizovaných polypropylenových bezpečnostních kondenzátorů s metalizovanou fólií od společnosti KEMET mohou konstruktéři splnit požadavky normy IEC 60384-14 třídy IIIB HTB a zajistit kvalifikaci podle normy AEC-Q200. Tyto kondenzátory podporují kompaktní, lehká a nízkonákladová řešení odrušení v řadě průmyslových aplikací, EV a WBG aplikací výkonových měničů.

Doporučeno k přečtení

1. Jak zvýšit efektivitu a spolehlivost energetické infrastruktury a zároveň snížit náklady
2. Kdy a jak používat kompenzaci účiníku typu totem pole
3. Návrh účinnější kompenzace účiníku pomocí polovodičů se širokým zakázaným pásem a digitální řídicí jednotky