Hur man implementerar robust, EMI-styrning i miniatyrformat för kraftomvandlare i fordon och industriella tillämpningar

Det är viktigt för konstruktörer att garantera säkerheten för både utrustning och användare, och kondensatorer spelar en viktig roll. Det är även viktigt med komponentstorlek, vikt och tillförlitlighet i system såsom laddare för elfordon, filter för elektromagnetiska störningar (EMI) i drivenheter med variabel frekvens (VFD), LED-drivenheter och tillämpningar med hög energitäthet, som t.ex. kapacitiva nätaggregat och kraftomvandlare.

En gemensam utmaning i alla dessa tillämpningar är att hitta kompakta och robusta EMI-filtrerande X1- och X2-skyddskondensatorer från matning till matning och Y2-kondensatorer från matning till jord som är klassificerade för temperatur/fukt/bias (THB) i klass IIIB för drift från -40 °C till +125 °C och uppfyller kraven i IEC 60384-14 (International Electrotechnical Commission) och Q200 (Automotive Electronics Council).

För att uppfylla dessa krav kan konstruktörer använda X1-, X2- och Y2-skyddskondensatorer för EMI-dämpning i miniatyrformat av polypropenfilm. De uppfyller kraven i IEC 60384-14, är godkända enligt AEC-Q200 och har den högsta IEC-klassificeringen för robusthet för tillämpningar som kräver hög tillförlitlighet och förlängd livslängd i tuffa miljöförhållanden. Miniatyrkondensatorerna med självläkande egenskaper är betydligt mindre än konventionella X1-, X2- och Y2-skyddskondensatorer, vilket möjliggör en mindre yta på kretskortet, minskad vikt och lägre kostnad.

Artikeln går igenom kretstillämpningar för skyddskondensatorer tillsammans med provnings- och miljökrav enligt IEC 60384-14 och AEC-Q200. Därefter jämförs parallell- och seriekonstruktion för X2-kondensatorer av polypropenfilm, samt exempel på miniatyrkondensatorer som är lämpliga för Y2-, X1- och X2-skyddstillämpningar från KEMET och som uppfyller kraven i IEC 60384-14 och är kvalificerade enligt AEC-Q200. Rekommendationer för lödning av dessa kondensatorer ges också.

Skyddskondensatorernas roll

Skyddskondensatorer har två skyddsrelaterade funktioner. De filtrerar och dämpar störningar som kommer in i kraftdistributionsnätet och skyddar utrustningen mot potentiella skador från spänningstoppar som orsakas av blixtnedslag, motorkopplingar och andra källor. De skyddar även användarna av utrustningen från eventuella skador. De klassificeras och specificeras enligt båda funktionerna.

EMI i differentiellt läge från matning till nolla hanteras av X-kondensatorer. Y-kondensatorer hanterar common-mode-störningar (figur 1). Om en X-kondensator går sönder finns det en brandrisk. Om en Y-kondensator går sönder finns det risk att användaren får en elektrisk stöt. X-kondensatorer är konstruerade för att kortslutas vid ett fel för att utlösa en säkring eller brytare och stänga av matningsspänningen för att eliminera brandrisken. Brandrisken vid fel på Y-kondensatorer är mycket liten, eftersom kondensatorerna är konstruerade för att gå sönder i brutet tillstånd och skydda användarna från elektriska stötar.

Figur 1: X-kondensatorer (blå) är konstruerade för att filtrera bort EMI-störningar från matning till matning, meden Y-kondensatorer (orangea) är konstruerade för att filtrera bort störning från matning till jord. (Bildkälla: KEMET)

Förutom att klassificeras som "X" eller "Y" specificeras EMI-filterkondensatorer enligt sin nominella märkspänning och av den toppimpulsspänning som kan hanteras. När det gäller Y-kondensatorer klassificeras de även baserat på om de har grundisolering eller förstärkt isolering. Ett flertal standarder har utvecklats för dessa kondensatorer, bland annat IEC 60384-14, Underwriters Laboratories (UL) 1414, UL 1283, Canadian Standards Association (CSA) C22.2 No.1 och CSA 384-14. IEC 60384-14 definierar underklasser av X-kondensatorer genom deras toppimpulsspänning och Y-kondensatorer genom deras märkspänning och isoleringskategori. Dessutom definieras olika former av uthållighetsprov för de olika klasserna. X1, X2 och Y2 är bland de mest använda skyddskondensatorerna (tabell 1):

• Underklasser för X-kondensatorer
  • X3-kondensatorer har en toppimpulsspänning på högst 1,2 kV.
  • X2-kondensatorer har en toppimpulsspänning på högst 2,5 kV.
  • X3-kondensatorer har en toppimpulsspänning på över 2,5 och mindre än eller lika med 4 kV.
• Underklasser för Y-kondensatorer
  • Y4-kondensatorer har en märkspänning under 150 volt växelström (V_AC).
  • Y3-kondensatorer har en märkspänning från 150 till 250 V_AC.
  • Y2-kondensatorer har en märkspänning från 150 till 500 V_AC och grundläggande isolering.
  • Y1-kondensatorer har en nominell spänning på upp till 500 V_AC och dubbel isolering.

Tabell 1: Exempel på klassificeringar enligt IEC 60384-14 för X-kondensatorer baserat på deras toppimpulsspänning och Y-kondensatorer på deras märkspänning och isoleringstyp. (Tabellkälla: KEMET)

Ersättare för skyddskondensatorer

På grund av deras olika märkspänningar och olika prestanda kan endast vissa typer av X- och Y-kondensatorer användas som ersättning för andra typer med samma eller högre märkspänningar. Y1-kondensatorer har exempelvis samma märkspänning med högre isoleringsklass och kan användas som ersättare för Y2-kondensatorer. Y-kondensatorer är konstruerade för att bli brutna vid fel och kan användas i stället för X-kondensatorer. Men en X-kondensator är konstruerad för att kortslutas vid fel och kan inte ersätta en Y-kondensator (tabell 2). Även om en X-kondensator skulle kunna filtrera EMI på ett lämpligt sätt, skulle den inte uppfylla skyddskriterierna för matning till jord för en Y-kondensator.

Tabell 2: Vissa Y-kondensatorer kan användas för X-kondensatorer, men X-kondensatorer kan inte ersättas med Y-kondensatorer. (Tabellkälla: KEMET)

Självläkande

Självläkning avser förmågan hos en metalliserad kondensator att återhämta sig från en tillfällig kortslutning på grund av dielektrisk nedbrytning och snabb regenerering. Polypropen anses vara det bästa materialet när det gäller självläkning. Den höga syrehalten på ytan av polypropenet bränner bort (rensar) elektrodmaterialet runt felområdet. När felet är avhjälpt sker en obetydlig förlust av kapacitans och kondensatorns övriga elektriska egenskaper återställs till nominella värden. Förutom användningen av polypropenfilm är metalliseringsmaterialet och dess tjocklek viktiga faktorer för självläkning. Om kondensatorerna inte är noggrant utformade kan optimeringen för självläkning göra dem mer känsliga för extrema miljöförhållanden. Som sådana drar de nytta av högre nivåer av kvalificeringstestning, som THB.

THB-godkännande

Provning för THB-godkännande används ofta i fordons-, energi- och industritillämpningar för att mäta komponenters tillförlitlighet på lång sikt. THB-provning påskyndar nedbrytningen av komponenter och mäter elektriska parametrar efter en definierad period under specificerade AC- eller DC-förspänningsförhållanden. IEC 60384-14, AMD1:2016, definierar tre THB-klasser I (A och B), II (A och B) och III (A och B) (tabell 3). Kraven för att uppfylla den högsta klassen, IIIB, omfattar exponering för 85 °C och 85 % RH i 1 000 timmar. För att klara provningen måste en filmkondensator uppvisa följande:

• Kapacitansförändring ≤ 10 %
• Förändring av förlustfaktorn (∆tan δ) ≤ 150 * ^10-4 (vid 1 kHz för kondensatorer som är specificerade för > 1 µF).
• Förändring av förlusfaktorn (∆tan δ) ≤ 240 * ^10-4 (vid 10 kHz för kondensatorer som är dimensionerade för ≤ 1 µF).
• Isoleringsmotstånd ≥ 50 % av den ursprungliga gränsen eller minst 200 MΩ.

Tabell 3: Den senaste utgåvan av IEC 60384-14 innehåller sex alternativ för THB-provning. (Tabellkälla: KEMET)

X2-kondensatorer i miniatyrformat

När det behövs en X2-kondensator kan konstruktörer använda sig av serien R53B med radiella filmkondensatorer i polypropenfilm från KEMET med kapacitansvärden från 0,1 till 22 µF, som är inkapslade med självsläckande harts i ett gjutet plasthölje som uppfyller kraven på lättantändlighet enligt UL 94 V-0 (figur 2). Miniatyrkondensatorerna har ett ledningsavstånd på 15 till 37,5 mm och har i genomsnitt 60 % mindre volym än vanliga X2-kondensatorer, vilket möjliggör mindre och lättare lösningar. Kondensatorerna är godkända enligt AEC-Q200 och har en klass IIIB-klassificering för IEC 60384-14 THB-provning.

Modell R53BI31505000K är exempelvis dimensionerad för 800 VDC och 0,15 µF ±10 %, och modell R53BI322050S0M är dimensionerad för 800 VDC och 0,22 µF ±20 %.

Figur 2: X2-kondensatorn R53B är inkapslad med självsläckande harts i ett gjutet plasthölje som uppfyller kraven för lättantändlighet i UL. (Bildkälla: KEMET)

Skyddskondensatorer av klass X1/Y2

Serien R41B med X1/Y2-skyddskondensatorer från KEMET finns med kapacitanser från 0,0022 till 1,2 µF, märkspänningar på upp till 1 500 VDC och toleranser på ±20 % eller ±10 %. R41B-kondensatorerna har liknande kapsling som R53B-enheterna och ledningsavstånd från 10 till 37,5 mm, små volymer och THB-prestanda av klass IIIB. R41B-kondensatorer som R41BF122050T0K (2200 pF och 1500 VDC) är specificerade för 2000 timmars drift vid 125 °C.

Skyddskondensatorerna R53B och R41B är båda lämpade för användning i fordonsladdare, vind- och solenergiomvandlare, VFD:er och andra industriella tillämpningar samt i SiC- och GaN-baserade kraftomvandlare.

Krav på lödning

Skyddskondensatorer av metalliserad polypropenfilm är elektriskt och miljömässigt robusta och ger ett högt operatörsskydd, men de kräver särskild uppmärksamhet när de löds fast på ett kretskort. Polypropen har en smältpunkt mellan 160 och 170 °C. När de används med traditionellt lod av tenn (SnPb) som har en vätningstemperatur på 183 °C finns det enkla tekniker som kan användas för att på ett tillförlitligt sätt fästa kondensatorerna på ett kretskort.

RoHS-direktivet och miniatyriseringen av komponenter har tillsammans gjort det mer komplicerat att löda kondensatorer av polypropenfilm. Enligt direktivet ska legeringar av tenn-silver-koppar (SnAgCu) eller tenn-koppar (SnCu) användas. Vanliga lödningstemperaturer för de nya legeringarna är 217-221 °C, vilket leder till ökad termisk belastning på komponenterna som kan försämra eller skada dem permanent. Högre temperaturer vid föruppvärmning och våglödning kan skapa skadliga termiska förhållanden för små komponenter som miniatyrkondensatorer av polypropenfilm. KEMET rekommenderar att användarna tillämpar kurvan för våglödning enligt IEC 61760-1 utgåva 2 när de använder skyddskondensatorer av polypropenfilm (figur 3).

Figur 3: För att förhindra värmeskador vid lödning av skyddskondensatorer av polypropenfilm rekommenderar KEMET att användarna tillämpar kurvan för våglödning enligt IEC 61760-1 utgåva 2. (Bildkälla: KEMET)

När manuell lödning krävs rekommenderar KEMET att temperaturen vid lödkolvens spets ställs in på 350 °C (högst +10 °C). Manuell lödning bör begränsas till tre sekunder eller mindre för att undvika skador på komponenterna.

Typisk våglödning rekommenderas inte för kondensatorer av polypropenfilm för genomgående hål. KEMET rekommenderar även att kondensatorerna inte skickas genom en ugn för att härda lim som används för att fästa ytmonterade komponenter. Kondensatorerna ska läggas till på kretskortet efter att limmet för de ytmonterade delarna har härdat. Kontakta fabriken för att få information om den tillåtna temperaturprofilen i ugnen, om det är absolut nödvändigt att komponenter för genomgående hål passerar genom en limhärdningsprocess eller om våglödning krävs, .

Sammanfattning

Konstruktörer måste garantera både utrustningens och användarens säkerhet, samtidigt som de måste uppfylla viktiga konstruktionskrav. X- och Y-skyddskondensatorer används för att skydda utrustningen från överdriven EMI och för att skydda användarna från skador. Med hjälp av robusta och tillförlitliga skyddskondensatorer av metalliserad polypropenfilm i miniatyformat från KEMET kan konstruktörer uppfylla kraven i IEC 60384-14 klass IIIB HTB och bli godkända enligt AEC-Q200. Kondensatorerna stödjer kompakta, lätta och billiga lösningar i en rad industriella, elektroniska och WBG-strömomvandlartillämpningar.

Rekommenderad läsning

1. Hur man gör energiinfrastrukturen effektivare och mer tillförlitlig, samtidigt som man sänker kostnaderna
2. När och hur man använder kraftfaktorkorrigering med totempåle utan bryggor
3. Konstruera effektivare effektfaktorkorrigering med hjälp av halvledare med brett bandgap och digital styrning