Wdrażanie solidnych, miniaturowych rozwiązań ograniczania zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) do samochodowych i przemysłowych przetwornic mocy

Zapewnienie bezpieczeństwa zarówno sprzętu, jak i użytkowników ma kluczowe znaczenie dla projektantów, a kluczową rolę odgrywają kondensatory. Kluczowe znaczenie ma również rozmiar, waga i niezawodność komponentów w takich układach, jak ładowarki do pojazdów elektrycznych (EV), filtry zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) w napędach o zmiennej częstotliwości (VFD), sterowniki LED oraz zastosowania o dużej gęstości energii, takie jak pojemnościowe zasilacze i przetwornice mocy.

Powszechnym wyzwaniem we wszystkich tych zastosowaniach jest zaopatrzenie w kompaktowe i wytrzymałe wysokotemperaturowe kondensatory bezpieczeństwa X1 i X2 do filtrowania zakłóceń elektromagnetycznych między przewodami fazowymi a uziemieniem Y2, które są przystosowane do pracy w warunkach temperatury, wilgotności i odchylenia (THB) odpowiadających klasie IIIB od -40°C do +125°C, spełniających wymagania normy IEC 60384-14 Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej oraz normy AEC-Q200 Rady ds. Elektroniki Samochodowej.

Aby spełnić te wymagania, projektanci mogą użyć miniaturowych polipropylenowych kondensatorów foliowych zabezpieczających przed zakłóceniami elektromagnetycznymi X1, X2 i Y2. Spełniają one wymagania normy IEC 60384-14, posiadają kwalifikację AEC-Q200 i mają najwyższą klasę odporności IEC dla zastosowań wymagających wysokiej niezawodności i długiego okresu użytkowania w trudnych warunkach środowiskowych. Te miniaturowe, samonaprawiające się kondensatory są znacznie mniejsze od konwencjonalnych kondensatorów bezpieczeństwa X1, X2 i Y2, co umożliwia zmniejszenie powierzchni płytki drukowanej, zmniejszenie wagi i obniżenie kosztów.

W niniejszym artykule dokonano przeglądu obwodów dla kondensatorów bezpieczeństwa, a także wymagań dotyczących testowania i wymagań środowiskowych wynikających z norm IEC 60384-14 oraz AEC-Q200. Następnie porównano równoległą i szeregową konstrukcję polipropylenowych kondensatorów foliowych X2 i przedstawiono przykłady miniaturowych kondensatorów przeznaczonych do zastosowań Y2, X1 oraz X2 firmy KEMET, które spełniają wymagania norm IEC 60384-14 i AEC-Q200. Zaprezentowano również zalecenia dotyczące lutowania omawianych kondensatorów.

Rola kondensatorów bezpieczeństwa

Kondensatory bezpieczeństwa pełnią dwie funkcje związane z bezpieczeństwem. Filtrują i tłumią zakłócenia dopływające przez sieci rozdziału zasilania, a także chronią sprzęt przed potencjalnymi uszkodzeniami w wyniku skoków napięcia spowodowanych przez uderzenie pioruna, komutację silnika i inne źródła. Chronią również użytkowników sprzętu przed potencjalnymi obrażeniami ciała. Ich klasy i specyfikacje określa się zależnie od obu wspomnianych funkcji.

Zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) od przewodu fazowego do neutralnego są niwelowane przez kondensatory X. Kondensatory Y natomiast zapobiegają zakłóceniom w trybie wspólnym (ilustracja 1). W przypadku awarii kondensatora X istnieje ryzyko pożaru. W przypadku awarii kondensatora Y istnieje ryzyko porażenia użytkowników prądem elektrycznym. Kondensatory X są zaprojektowane w taki sposób, że ulegając awarii podczas zwarcia, powodują zadziałanie bezpiecznika topikowego lub wyłącznika automatycznego, a w rezultacie odcięcie napięcia zasilania celem eliminacji zagrożenia pożarowego. Zagrożenie pożarowe spowodowane awariami kondensatora Y jest bardzo niskie, ponieważ te kondensatory zostały zaprojektowane tak, aby ulegały awarii w stanie rozwarcia i chroniły użytkowników przed porażeniem prądem elektrycznym.

Ilustracja 1: kondensatory X (kolor niebieski) są przeznaczone do filtrowania międzyfazowych zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), podczas gdy kondensatory Y (kolor pomarańczowy) filtrują zakłócenia między przewodem fazowym a uziemieniem. (Źródło ilustracji: KEMET)

Oprócz klasyfikacji „X/Y”, specyfikacje kondensatorów filtrujących zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) określają znamionowe napięcia robocze i szczytowe napięcia udarowe. Jeśli chodzi o kondensatory Y, są one dodatkowo klasyfikowane przez to, czy posiadają one podstawową czy wzmocnioną izolację. Opracowano liczne normy odnoszące się do kondensatorów, w tym IEC 60384-14, normy Underwriters Laboratories - UL 1414, UL 1283 oraz CSA C22.2 nr 1 i CSA 384-14. W normie IEC 60384-14 zdefiniowano podklasy dla klasy X, według szczytowego napięcia udarowego, a także dla klasy Y, według napięcia znamionowego i kategorii izolacji. Ponadto dla różnych klas zdefiniowano różne formy badania wytrzymałości. Do najczęściej używanych kondensatorów bezpieczeństwa należą kondensatory X1, X2 i Y2 (tabela 1):

• Podklasy kondensatorów X
  • Kondensatory X3 mają znamionowe napięcie szczytowe udarowe mniejsze lub równe 1,2kV
  • Kondensatory X2 mają znamionowe napięcie szczytowe udarowe mniejsze lub równe 2,5kV
  • Kondensatory X1 mają znamionowe napięcie szczytowe udarowe powyżej 2,5 i mniejsze lub równe 4,0kV
• Podklasy kondensatorów Y
  • Kondensatory Y4 mają napięcie znamionowe poniżej 150V prądu zmiennego (V_~)
  • Kondensatory Y3 mają napięcie znamionowe od 150 do 250V_~
  • Kondensatory Y2 mają napięcie znamionowe od 150 do 500V_~ oraz izolację podstawową
  • Kondensatory Y1 mają napięcie znamionowe do 500V_~ oraz izolację podwójną

Tabela 1: przykłady klasyfikacji IEC 60384-14 dla kondensatorów X według ich napięcia szczytowego udarowego oraz dla kondensatorów Y według napięcia znamionowego i typu izolacji. (Źródło tabeli: KEMET)

Zamienniki dla kondensatorów bezpieczeństwa

Ze względu na różne wartości znamionowe napięcia i różne parametry działania, tylko niektóre typy kondensatorów X i Y mogą być stosowane jako zamienniki dla innych typów o tych samych lub wyższych parametrach znamionowych napięcia. Na przykład kondensatory Y1 mają takie samo napięcie znamionowe co kondensatory Y2 oraz wyższe parametry izolacji, dlatego mogą być używane jako ich zamienniki. Kondensatory Y są zaprojektowane tak, aby otwierały obwód w przypadku awarii i mogą być używane zamiast kondensatorów X. Jednakże kondensatory X są wykonane w taki sposób, że po awarii zamykają obwód i nie mogą służyć jako zamienniki dla kondensatorów Y (tabela 2). Mimo iż kondensator X mógłby odpowiednio filtrować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI), nie spełniłby kryteriów bezpieczeństwa między przewodem fazowym a uziemieniem określonych dla kondensatora Y.

Tabela 2: niektóre z kondensatorów Y mogą być używane w miejsce kondensatorów X, ale kondensatorów Y nie można zastąpić kondensatorami X. (Źródło tabeli: KEMET)

Samonaprawianie

Samonaprawianie odnosi się do zdolności metalizowanego kondensatora do szybkiej regeneracji po ekspozycji na chwilowe zwarcie wynikające z przebicia dielektryka. Pod względem samonaprawiania za najlepszy materiał uważany jest polipropylen. Wysoka zawartość tlenu powierzchniowego w polipropylenie powoduje wypalenie (usunięcie) materiału elektrody wokół obszaru usterki. Po usunięciu usterki następuje nieznaczna utrata pojemności, a pozostałe właściwości elektryczne kondensatora powracają do wartości znamionowych. Z punktu widzenia zdolności do samonaprawy oprócz zastosowania folii polipropylenowej istotnymi czynnikami są materiał metalizacji i jego grubość. Jeśli kondensatory nie są starannie zaprojektowane, optymalizacja pod kątem samonaprawy może sprawić, że będą bardziej wrażliwe na skrajne warunki środowiskowe. Jeśli z takowymi mamy do czynienia, rozwiązaniem jest stosowanie wyższych poziomów badań kwalifikacyjnych, takich jak THB.

Kwalifikacja THB

Badania kwalifikacyjne THB są powszechnie stosowane w branży motoryzacyjnej, energetycznej i przemyśle do pomiaru długoterminowej niezawodności komponentów. W badaniu THB przyspiesza się degradację komponentów i mierzy parametry elektryczne po określonym czasie w określonych warunkach polaryzacji prądem zmiennym lub stałym. W normie IEC 60384-14, AMD1:2016 zdefiniowano trzy klasy THB: I (A i B), II (A i B) oraz III (A i B) (tabela 3). Wymagania dla najwyższej klasy, IIIB, obejmują ekspozycję na temperaturę 85°C i wilgotność względną 85% przez 1000 godzin. Aby uzyskać pozytywny wynik badania, kondensator foliowy musi wykazać następujące zmiany:

• Zmiana pojemności o ≤10%
• Zmiana współczynnika rozpraszania (∆tan δ) o ≤150*10⁻⁴ (przy częstotliwości 1kHz dla kondensatorów o pojemności znamionowej >1µF)
• Zmiana współczynnika rozpraszania (∆tan δ) o ≤240*10⁻⁴ (przy częstotliwości 10kHz dla kondensatorów o pojemności znamionowej ≤1µF)
• Rezystancja izolacji ≥50% wartości początkowej lub minimum 200MΩ

Tabela 3: najnowsze wydanie normy IEC 60384-14 zawiera sześć opcji dla badań THB. (Źródło tabeli: KEMET)

Kondensatory miniaturowe X2

Gdy potrzebny jest kondensator X2, projektanci mogą sięgnąć po serię R53B radialnych polipropylenowych kondensatorów foliowych firmy KEMET o pojemności od 0,1 do 22µF, które są obudowane żywicą samogasnącą w formowanej obudowie z tworzywa sztucznego, która spełnia wymagania normy UL 94 V-0 w zakresie palności (ilustracja 2). Omawiane kondensatory miniaturowe posiadają wyprowadzenia o rozstawie od 15 do 37,5mm i średnio mają o 60% mniejszą objętość niż standardowe kondensatory X2, co umożliwia tworzenie mniejszych i lżejszych rozwiązań. Kondensatory te posiadają kwalifikację AEC-Q200 i są wykonane w klasie IIIB według badań THB wg normy IEC 60384-14.

Na przykład model R53BI31505000K ma napięcie znamionowe 800V= i pojemność 0,15µF ±10%, a model R53BI322050S0M napięcie znamionowe 800V= i pojemność 0,22µF ±20%.

Ilustracja 2: kondensatoryX2 R53B są obudowane żywicą samogasnąca w formowanej obudowie z tworzywa sztucznego spełniającej wymagania UL w zakresie palności. (Źródło ilustracji: KEMET)

Kondensatory bezpieczeństwa X1/Y2

Dostępne są serie R41B kondensatorów bezpieczeństwa X1/Y2 o pojemności od 0,0022 do 1,2µF, napięciu znamionowym do 1500V= oraz tolerancjach ±20% lub ±10%. Podobnie jak w przypadku urządzeń z serii R53B, kondensatory R41B mają wyprowadzenia w rozstawie od 10 do 37,5mm, małe rozmiary i klasę THB III B. Kondensatory R41B, takie jak R41BF122050T0K (2200pF i 1500V=), są przystosowane do pracy przez 2000 godzin w temperaturze 125°C.

Zarówno kondensatory bezpieczeństwa R53B, jak i R41B nadają się do stosowania we wbudowanych ładowarkach pojazdów elektrycznych, przetwornicach mocy do energii wiatrowej i słonecznej, w napędach o zmiennej częstotliwości (VFD) i innych zastosowaniach przemysłowych, a także w projektach przetwornic mocy opartych na węgliku krzemu (SiC) i azotku galu (GaN).

Wymagania dotyczące lutowania

Metalizowane, polipropylenowe kondensatory foliowe bezpieczeństwa charakteryzują się dużą odpornością na warunki elektryczne i środowiskowe oraz zapewniają wysoki poziom ochrony operatora, jednak wymagają szczególnej uwagi podczas lutowania na płytce drukowanej. Polipropylen ma temperaturę topnienia od 160°C do 170°C. W przypadku stosowania tradycyjnego lutowia cynowo-ołowiowego (SnPb) o temperaturze likwidusu 183°C, do niezawodnego mocowania tych kondensatorów do płytki drukowanej można użyć kilku prostych technik.

Na skutek łącznego wpływu dyrektywy RoHS i trendu miniaturyzacji komponentów lutowanie polipropylenowych kondensatorów foliowych stało się bardziej skomplikowane. Wspomniana dyrektywa wymusza stosowanie stopów miedzi, cyny i srebra (SnAgCu) lub miedzi i cyny (SnCu). Typowe temperatury lutowania dla nowych stopów wynoszą od 217°C do 221°C, co powoduje zwiększone obciążenie termiczne komponentów, narażające je na degradację lub trwałe uszkodzenie. Wyższe temperatury lutowania wstępnego i lutowania na fali mogą powodować warunki termiczne szkodliwe dla małych komponentów, takich jak miniaturowe, polipropylenowe kondensatory foliowe. Firma KEMET zaleca użytkownikom wykorzystującym polipropylenowe kondensatory foliowe bezpieczeństwa stosowanie krzywej lutowania na fali zgodnie z normą IEC 61760-1 wydanie 2 (ilustracja 3).

Ilustracja 3: aby zapobiec uszkodzeniu termicznemu podczas lutowania polipropylenowych kondensatorów foliowych bezpieczeństwa firma KEMET zaleca użytkownikom stosowanie krzywej lutowania na fali zgodnie z normą IEC 61760-1 wydanie 2. (Źródło ilustracji: KEMET)

W przypadku konieczności lutowania ręcznego firma KEMET zaleca ustawienie temperatury na kolbie lutowniczej na 350°C (+10°C maks.). Lutowanie ręczne powinno być ograniczone do maksymalnie 3 sekund, aby uniknąć uszkodzenia komponentów.

Typowe lutowanie rozpływowe nie jest zalecane w przypadku przewlekanych polipropylenowych kondensatorów foliowych. Firma KEMET zaleca również, aby nie przepuszczać tych kondensatorów przez piec utwardzający stosowany do mocowania elementów do montażu powierzchniowego. Omawiane kondensatory należy umieszczać na płytkach drukowanych po wyschnięciu kleju do elementów montowanych powierzchniowo. Jeśli konieczne jest poddanie komponentów przewlekanych procesowi utwardzania kleju lub jeśli wymagane jest lutowanie rozpływowe, należy skontaktować się z fabryką w celu uzyskania szczegółowych informacji na temat dozwolonego profilu temperatury pieca.

Podsumowanie

Projektanci muszą zadbać zarówno o bezpieczeństwo sprzętu, jak i użytkownika, a jednocześnie spełnić kluczowe wymagania projektowe. W celu zabezpieczenia sprzętu przed nadmiernymi zakłóceniami elektromagnetycznymi i ochrony użytkowników przed obrażeniami stosuje się kondensatory bezpieczeństwa X i Y. Dzięki zastosowaniu solidnych i niezawodnych zminiaturyzowanych, metalizowanych polipropylenowych kondensatorów foliowych bezpieczeństwa firmy KEMET projektanci mogą spełnić wymagania normy IEC 60384-14 dla klasy IIIB HTB i uzyskać kwalifikację AEC-Q200. Omawiane kondensatory pozwalają opracowywać kompaktowe, lekkie i niedrogie rozwiązania do przemysłowych zastosowań w przetwornicach mocy, pojazdach elektrycznych (EV) i przetwornicach mocy o szerokiej przerwie energetycznej (WBG).

Rekomendowane artykuły

1. Podnoszenie sprawności i niezawodności infrastruktury energetycznej przy jednoczesnym obniżeniu kosztów
2. Warunki i sposób stosowania korekcji współczynnika mocy w bezmostkowej topologii totem pole
3. Projektowanie bardziej efektywnej korekcji współczynnika mocy przy użyciu półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej i sterowania cyfrowego