Hoe robuuste, miniatuur EMI-regeling te implementeren voor automotive en industriële vermogenconvertors

Voor ontwerpers is het van cruciaal belang de veiligheid van zowel apparatuur als gebruikers te waarborgen, en condensators spelen daarbij een sleutelrol. Ook kritisch zijn de grootte, het gewicht en de betrouwbaarheid van componenten in systemen zoals laders voor elektrische voertuigen (EV), elektromagnetische interferentiefilters (EMI) in variabele frequentieaandrijvingen (VFD's), LED-drivers en toepassingen met hoge energiedichtheid zoals capacitieve voedingen en vermogenconvertors.

Een gemeenschappelijke uitdaging in al deze toepassingen is het vinden van compacte en robuuste hoogspanningscondensatoren X1 en X2 voor lijn-tot-lijn, en Y2-condensators voor lijn-tot-massa EMI-filtering, die voldoen aan temperatuur/vochtigheid/bias (THB) Grade IIIB voor werking van -40 °C tot +125 °C, en die voldoen aan de vereisten van de internationale elektrotechnische commissie (IEC) 60384-14 en de automotive electronics council (AEC) Q200.

Om aan deze eisen te voldoen, kunnen ontwerpers miniatuur veiligheidscondensators van polypropyleenfilm X1, X2 en Y2 voor EMI-onderdrukking gebruiken. Deze voldoen aan de eisen van IEC 60384-14, zijn AEC-Q200 gekwalificeerd en hebben de hoogste IEC-robuustheidsclassificatie voor toepassingen die een hoge betrouwbaarheid en een langere levensduur onder zware omgevingsomstandigheden vereisen. Deze miniatuur zelfherstellende condensators zijn aanzienlijk kleiner dan conventionele X1, X2 en Y2 veiligheidscondensatoren, waardoor een kleiner printplaatoppervlak, een lager gewicht en lagere kosten mogelijk zijn.

Dit artikel bespreekt de circuittoepassingen voor veiligheidscondensatoren samen met de IEC 60384-14 en AEC-Q200 test- en omgevingsvereisten. Vervolgens worden parallelle en serieconstructies voor X2 polypropyleen filmcondensators vergeleken en worden voorbeelden gegeven van miniatuurcondensators van KEMET die geschikt zijn voor Y2, X1 en X2-veiligheidstoepassingen en voldoen aan de vereisten van IEC 60384-14 en AEC-Q200 gekwalificeerd zijn. Ook worden aanbevelingen gegeven voor het solderen van deze condensators.

De rol van veiligheidscondensators

Veiligheidscondensators vervullen twee veiligheidsfuncties. Zij filteren en onderdrukken ruis die op het stroomdistributienetwerk binnenkomt, en beschermen apparatuur tegen potentiële schade door spanningspieken veroorzaakt door bliksem, commutatie van motors en andere bronnen. Zij beschermen de gebruikers van de apparatuur ook tegen mogelijk letsel. Zij worden ingedeeld en gespecificeerd volgens beide functies.

Differentiële-mode EMI van lijn naar nul wordt behandeld door X-condensators. Y-condensators behandelen common-mode-interferentie (Afbeelding 1). Als een X-condensator het begeeft, is er kans op brand. Als een Y-condensator uitvalt, bestaat het risico van een elektrische schok voor de gebruikers. X-condensators zijn ontworpen om in geval van kortsluiting een zekering of stroomonderbreker te activeren en de voedingsspanning uit te schakelen om brandgevaar te voorkomen. Het brandgevaar als gevolg van storingen van Y-condensators is zeer gering, aangezien deze condensators zijn ontworpen om in open toestand te falen en de gebruikers te beschermen tegen elektrische schokken.

Afbeelding 1: X-condensators (blauw) zijn ontworpen om EMI van lijn-tot-lijn-interferentie te filteren, terwijl Y-condensators (oranje) lijn-tot-massa-interferentie filteren. (Bron afbeelding: KEMET)

Naast de indeling als "X" of "Y" worden EMI-filtercondensators gespecificeerd aan de hand van hun nominale bedrijfsspanning en de piekimpulsspanning die zij aankunnen. Y-condensators worden verder ingedeeld naar basis- of versterkte isolatie. Er zijn talrijke normen ontwikkeld die op deze condensatoren van toepassing zijn, waaronder IEC 60384-14, Underwriters Laboratories (UL) 1414, UL 1283, Canadian Standards Association (CSA) C22.2 No.1, en CSA 384-14. IEC 60384-14 definieert subklassen van X-condensators volgens hun piekimpulsspanning en Y-condensators volgens hun nominale spanningen en isolatiecategorie. Bovendien worden voor de verschillende klassen verschillende vormen van uithoudingsproeven gedefinieerd. X1, X2 en Y2 behoren tot de meest gebruikte veiligheidscondensators (tabel 1):

• X condensator-subklassen
  • X3-condensators hebben een piekspanning van 1,2 kilovolt (kV) of minder.
  • X2-condensators hebben een piekspanningsimpuls van minder dan of gelijk aan 2,5 kV
  • X1-condensators hebben een piekspanningsimpuls van meer dan 2,5 en minder dan of gelijk aan 4,0 kV
• Y-condensator-subklassen
  • Y4-condensators hebben een nominale spanning onder 150 volt wisselstroom (V_AC)
  • Y3-condensators hebben een nominale spanning van 150 tot 250 V_AC
  • Y2-condensators hebben een nominale spanning van 150 tot 500 V_AC en basisisolatie
  • Y1-condensatoren hebben een nominale spanning tot 500 V_AC en dubbele isolatie

Tabel 1: Voorbeelden van IEC 60384-14-classificaties voor X-condensators volgens hun piekimpulsspanning en Y-condensators volgens hun nominale spanning en isolatietype. (Bron tabel: KEMET)

Vervanging van veiligheidscondensators

Als gevolg van hun verschillende spanningswaarden en verschillende prestaties kunnen alleen bepaalde typen X- en Y-condensators worden gebruikt als vervanging voor andere typen met dezelfde of hogere spanningswaarden. Bijvoorbeeld, Y1-condensators hebben dezelfde spanningswaarde met een hogere isolatiewaarde en kunnen worden gebruikt ter vervanging van Y2-condensators. Y-condensators zijn ontworpen om open te vallen en kunnen worden gebruikt in plaats van X-condensators. Maar een X-condensator is ontworpen om kortsluiting te veroorzaken en kan een Y-condensator niet vervangen (tabel 2). Hoewel een X-condensator EMI adequaat zou kunnen filteren, zou hij niet voldoen aan de lijn-tot-massa-veiligheidscriteria van een Y-condensator.

Tabel 2: Sommige Y-condensators kunnen worden gebruikt voor X-condensators, maar X-condensators kunnen niet worden vervangen door Y-condensators. (Bron tabel: KEMET)

Zelfhelend

Zelfherstel verwijst naar het vermogen van een gemetalliseerde condensator om zich te herstellen van een kortstondige kortsluiting als gevolg van diëlektrische storing en zich snel te regenereren. Polypropyleen wordt beschouwd als het beste materiaal in termen van zelfgenezing. Het hoge zuurstofgehalte van polypropyleen verbrandt (ruimt) het elektrodemateriaal rond de foutzone. Zodra de storing is verholpen, is er een onbeduidend capaciteitsverlies en worden de andere elektrische eigenschappen van de condensator hersteld tot de nominale waarden. Naast het gebruik van polypropyleenfilm zijn het metallisatiemateriaal en de dikte ervan belangrijke factoren voor de zelfgenezing. Als de condensators niet zorgvuldig zijn ontworpen, kan optimalisatie voor zelfherstel ze gevoeliger maken voor extreme omgevingsomstandigheden. Als zodanig profiteren zij van hogere niveaus van kwalificatietests, zoals THB.

THB-kwalificatie

THB-kwalificatietests worden gewoonlijk gebruikt voor auto's, energie en industriële toepassingen om de betrouwbaarheid van componenten op lange termijn te meten. THB-tests versnellen de degradatie van componenten en meten elektrische parameters na een bepaalde periode onder gespecificeerde AC- of DC-bias-condities. IEC 60384-14, AMD1:2016, definieert drie THB-graden I (A en B), II (A en B), en III (A en B) (tabel 3). Om te voldoen aan de hoogste graad, IIIB, is blootstelling aan 85 °C en 85% RV gedurende 1000 uur vereist. Om de test te doorstaan, moet een filmcondensator aantonen:

• Capaciteitsverandering van ≤ 10%
• Verandering in de dissipatiefactor (∆tan δ) van ≤ 150 * 10^-4 (bij 1 kilohertz (kHz) voor condensators met een nominale waarde van > 1 microfarad (µF)).
• Verandering van de dissipatiefactor (∆tan δ) van ≤ 240 * 10^-4 (bij 10 kHz voor condensators met een nominale waarde van ≤ 1 µF).
• Isolatieweerstand ≥ 50% van de initiële limiet of minimaal 200 megaohm (MΩ)

Tabel 3: De laatste editie van IEC 60384-14 bevat zes keuzemogelijkheden voor THB-tests. (Bron tabel: KEMET)

Miniatuur X2-condensators

Wanneer een X2-condensator nodig is, kunnen ontwerpers zich wenden tot de R53B-serie radiale polypropyleen-filmcondensators van KEMET met capaciteitswaarden van 0,1 tot 22 µF, die zijn ingekapseld met zelfdovende hars in een gegoten kunststof behuizing die voldoet aan de ontvlambaarheidseisen van UL 94 V-0 (Afbeelding 2). Deze miniatuurcondensators hebben loodafstanden van 15 tot 37,5 millimeter (mm), en hebben gemiddeld 60% minder volume dan standaard X2-condensators, waardoor kleinere en lichtere oplossingen mogelijk zijn. Deze condensators hebben een AEC-Q200 kwalificatie en een klasse IIIB-classificatie voor IEC 60384-14 THB testen.

Zo is het model R53BI31505000K berekend op 800 volt gelijkstroom (VDC) en 0,15 µF ±10%, en het model R53BI322050S0M op 800 VDC en 0,22 µF ±20%.

Afbeelding 2: R53B X2-condensators zijn ingekapseld met zelfdovende hars in een gegoten kunststof behuizing die voldoet aan de UL-ontvlambaarheidseisen. (Bron afbeelding: KEMET)

Veiligheidscondensators van klasse X1/Y2

De R41B-serie X1/Y2 veiligheidscondensators van KEMET is verkrijgbaar met capaciteiten van 0,0022 tot 1,2 µF, spanningswaarden tot 1.500 VDC en toleranties van ±20% of ±10%. De R41B-condensators zijn op dezelfde manier verpakt als de R53B-condensators en hebben een afstand van 10 tot 37,5 mm, kleine volumes en THB-kwaliteit IIIB. R41B-condensators zoals de R41BF122050T0K (2200 picofarads (pF) en 1.500 VDC) zijn goed voor 2000 bedrijfsuren bij 125 °C.

Zowel de R53B- als de R41B-veiligheidscondensators zijn geschikt voor gebruik in EV-boordladers, wind- en zonne-energieconvertrs, VFD's en andere industriële toepassingen, en in op SiC en GaN gebaseerde vermogenconverterontwerpen.

Soldeer vereisten

Veiligheidscondensators van gemetalliseerd polypropyleen zijn elektrisch en ecologisch robuust en bieden een hoge mate van bescherming voor de gebruiker, maar zij vereisen speciale aandacht wanneer zij op een printplaat worden gesoldeerd. Polypropyleen heeft een smeltpunt tussen 160 °C en 170 °C. Bij gebruik met traditioneel tin-lood (SnPb) soldeer dat een liquidustemperatuur van 183 °C heeft, zijn er eenvoudige technieken om deze condensatoren op betrouwbare wijze aan een printplaat te bevestigen.

De RoHS-richtlijn en de miniaturisering van de componenten hebben het solderen van polypropyleen filmcondensators ingewikkelder gemaakt. De richtlijn vereist het gebruik van tin-zilver-koper (SnAgCu) of tin-koper (SnCu) legeringen. De gebruikelijke soldeertemperaturen voor de nieuwe legeringen zijn 217 °C tot 221 °C, waardoor de componenten onder verhoogde thermische spanning komen te staan die ze kan aantasten of permanent beschadigen. Hogere voorverwarmings- en golfsoldeertemperaturen kunnen schadelijke thermische omstandigheden creëren voor kleine componenten zoals miniatuurpolypropyleenfilmcondensators. KEMET raadt gebruikers aan de golfsoldeercurve uit IEC 61760-1 editie 2 toe te passen bij het gebruik van polypropyleen veiligheidscondensators (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Om thermische schade te voorkomen bij het solderen van veiligheidscondensators van polypropyleenfolie raadt KEMET gebruikers aan de golfsoldeercurve uit IEC 61760-1 editie 2 toe te passen. (Bron afbeelding: KEMET)

Wanneer handmatig solderen vereist is, beveelt KEMET aan de temperatuur op de punt van de soldeerbout in te stellen op 350 °C (maximaal +10 °C). Handmatig solderen moet worden beperkt tot 3 seconden of minder om schade aan de onderdelen te voorkomen.

Het typische reflow-solderen wordt niet aanbevolen voor polypropyleen filmcondensators met doorlopende gaten. KEMET adviseert ook dat deze condensatoren niet door een lijmhardende oven mogen worden gestuurd die wordt gebruikt voor het bevestigen van opbouwcomponenten. De condensators moeten op de printplaat worden aangebracht nadat de lijm voor de opbouwdelen is uitgehard. Indien componenten met doorlopende gaten een lijmdroogproces moeten ondergaan of indien reflow-solderen vereist is, raadpleeg dan de fabriek voor details over het toegestane oventemperatuurprofiel.

Conclusie

Ontwerpers moeten zowel de veiligheid van de apparatuur als die van de gebruiker garanderen en tegelijkertijd voldoen aan de belangrijkste ontwerpeisen. X- en Y-veiligheidscondensators worden gebruikt om apparatuur te beschermen tegen overmatige EMI en om gebruikers te beschermen tegen schade. Met behulp van robuuste en betrouwbare geminiaturiseerde polypropyleen gemetalliseerde film veiligheidscondensators van KEMET kunnen ontwerpers voldoen aan de IEC 60384-14 klasse IIIB HTB-vereisten en zich kwalificeren volgens AEC-Q200. Deze condensators ondersteunen compacte, lichte en goedkope oplossingen in een reeks industriële, EV- en WBG-vermogeconvertortoepassingen.

Aanbevolen lectuur

1. Hoe de energie-infrastructuur efficiënter en betrouwbaarder te maken en tegelijk de kosten te drukken
2. Wanneer en hoe vermogensfactorcorrectie zonder brug gebruiken?
3. Effectievere vermogensfactorcorrectie ontwerpen met behulp van Wide Bandgap-halfgeleiders en digitale besturing