Cum se implementează un control EMI robust, miniatural pentru convertoarele de putere auto și industriale

Asigurarea siguranței echipamentelor și utilizatorilor este esențială pentru proiectanți, iar condensatoarele joacă un rol cheie. Esențiale sunt și dimensiunea, greutatea și fiabilitatea componentelor din sisteme cum ar fi încărcătoarele pentru vehiculele electrice (EV), filtrele de interferență electromagnetică (EMI) din mecanismele de acționare cu frecvență variabilă (VFD), driverele led și aplicațiile cu densitate energetică ridicată, cum ar fi sursele de alimentare capacitive și convertoarele de putere.

O provocare comună în toate aceste aplicații este găsirea unor condensatoare de siguranță X1 și X2 de înaltă tensiune, compacte și rezistente, pentru filtrarea EMI în cazul tensiunilor între faze și a unor condensatoare Y2 pentru filtrarea EMI în cazul tensiunilor între fază și pământ, care sunt clasificate pentru temperatură/umiditate/polarizare (THB) grad IIIB pentru funcționare la temperaturi cuprinse între -40°C și +125°C și care îndeplinesc cerințele Comisiei Electrotehnice Internaționale (IEC) 60384-14 și ale Automotive Electronics Council (AEC) Q200.

Pentru a îndeplini aceste cerințe, proiectanții pot utiliza condensatoare de siguranță X1, X2 și Y2 miniaturale cu peliculă din polipropilenă pentru suprimarea EMI. Acestea îndeplinesc cerințele IEC 60384-14, sunt calificate AEC-Q200 și au cea mai înaltă clasificare IEC privind robustețea pentru aplicații care necesită fiabilitate ridicată și o durată de viață extinsă în condiții dure de mediu. Aceste condensatoare miniaturale cu auto-reparare sunt semnificativ mai mici decât condensatoarele de siguranță X1, X2 și Y2 convenționale, permițând o suprafață mai mică a plăcii de circuite imprimate (placă CI), o greutate redusă și un cost mai mic.

Acest articol trece în revistă aplicațiile de circuit pentru condensatoarele de siguranță, împreună cu cerințele de testare și de mediu IEC 60384-14 și AEC-Q200. Apoi, se compară construcția în paralel și în serie pentru condensatoarele cu peliculă din polipropilenă X2 și se prezintă exemple de condensatoare miniaturale de la KEMET potrivite pentru aplicațiile de siguranță Y2, X1 și X2 care îndeplinesc cerințele IEC 60384-14 și sunt calificate AEC-Q200. De asemenea, sunt furnizate recomandări pentru lipirea acestor condensatoare.

Rolul condensatoarelor de siguranță

Condensatoarele de siguranță au două funcții legate de siguranță. Acestea filtrează și suprimă zgomotul care ajunge în rețeaua de distribuție a energiei electrice și protejează echipamentele împotriva daunelor potențiale provocate de vârfurile de tensiune cauzate de fulgere, de comutarea motorului și de alte surse. De asemenea, acestea protejează utilizatorii echipamentelor împotriva unor eventuale răniri. Acestea sunt clasificate și specificate în funcție de ambele funcții.

Interferențele EMI de mod diferențial în cazul tensiunilor între fază și neutru sunt gestionate de condensatoare X. Condensatoarele Y gestionează interferențele de mod comun (Figura 1). În cazul în care un condensator X se defectează, există posibilitatea unui incendiu. În cazul în care un condensator Y se defectează, există riscul de electrocutare pentru utilizatori. Condensatoarele X sunt proiectate să nu funcționeze în condiții de scurtcircuit, declanșând o siguranță sau un întrerupător de circuit și oprind tensiunea de alimentare în scopul eliminării riscului de incendiu. Riscul de incendiu cauzat de defecțiunile condensatoarelor Y este foarte scăzut, deoarece aceste condensatoare sunt proiectate să nu funcționeze în stare deschisă și să protejeze utilizatorii de șocuri electrice.

Figura 1: Condensatoarele X (albastru) sunt concepute pentru a filtra interferențele electromagnetice de interferențele apărute în cazul tensiunii între faze, în timp ce condensatoarele Y (portocaliu) filtrează interferențele apărute în cazul tensiunii între fază și pământ. (Sursa imaginii: KEMET)

Pe lângă clasificarea „X” sau „Y”, condensatoarele de filtrare EMI sunt specificate în funcție de tensiunea de funcționare nominală și de tensiunea de impuls de vârf pe care o pot suporta. În cazul condensatoarelor Y, acestea sunt clasificate în funcție de izolarea de bază sau consolidată. Au fost elaborate numeroase standarde aplicabile acestor condensatoare, inclusiv IEC 60384-14, Underwriters Laboratories (UL) 1414, UL 1283, Canadian Standards Association (CSA) C22.2 Nr.1 și CSA 384-14. IEC 60384-14 definește subclasele de condensatoare X prin tensiunea de impuls de vârf și condensatoarele Y prin tensiunile lor nominale și categoria izolării. În plus, sunt definite diferite forme de teste de anduranță pentru diferitele clase. X1, X2 și Y2 se numără printre cele mai utilizate condensatoare de siguranță (Tabelul 1):

• Subclase ale condensatoarelor X
  • Condensatoarele X3 au o tensiune nominală a impulsurilor de tensiune de vârf mai mică sau egală cu 1,2 kilovolți (kV)
  • Condensatoarele X2 au o tensiune nominală a impulsurilor de tensiune de vârf mai mică sau egală cu 2,5 kV
  • Condensatoarele X1 au o tensiune nominală a impulsurilor de tensiune de vârf de peste 2,5 kV și mai mică sau egală cu 4,0 kV
• Subclase ale condensatoarelor Y
  • Condensatoarele Y4 au o tensiune nominală sub 150 volți de curent alternativ (V_c.a.)
  • Condensatoarele Y3 au o tensiune nominală de la 150 până la 250 V_c.a.
  • Condensatoarele Y2 au o tensiune nominală de la 150 până la 500 V_c.a. și o izolare de bază
  • Condensatoarele Y1 au o tensiune nominală de până la 500 V_c.a. și o izolare dublă

Tabelul 1: Exemple de clasificări IEC 60384-14 pentru condensatoarele X în funcție de tensiunea de impuls de vârf și condensatoarele Y în funcție de tensiunea nominală și tipul izolării. (Sursa tabelului: KEMET)

Produse înlocuitoare ale condensatorului de siguranță

Ca urmare a tensiunilor nominale diferite și a capacităților de performanță diferite, numai anumite tipuri de condensatoare X și Y pot fi utilizate ca înlocuitoare ale altor tipuri de condensatoare cu tensiuni nominale identice sau mai mari. De exemplu, condensatoarele Y1 au aceeași tensiune nominală cu un grad de izolare mai mare și pot fi utilizate ca înlocuitoare pentru condensatoarele Y2. Condensatoarele Y sunt concepute să rămână deschise în caz de defecțiune și pot fi utilizate în locul condensatoarelor X. Însă un condensator X este conceput să nu funcționeze în condiții de scurtcircuit și nu poate înlocui un condensator Y (Tabelul 2). În timp ce un condensator X ar putea filtra în mod adecvat interferențele EMI, acesta nu ar putea suporta criteriile de siguranță în cazul tensiunii între fază și pământ ale unui condensator Y.

Tabelul 2: Unele condensatoare Y pot fi utilizate drept condensatoare X, dar condensatoarele X nu pot fi înlocuite de condensatoarele Y. (Sursa tabelului: KEMET)

Auto-reparare

Auto-repararea se referă la capacitatea unui condensator metalizat de a se repara după expunerea la un scurtcircuit temporar din cauza tensiunii de străpungere a dielectricului și de a se regenera rapid. Polipropilena este considerată cel mai bun material în materie de auto-reparare. Conținutul ridicat de oxigen de la suprafața polipropilenei arde (curăță) materialul electrodului din jurul zonei în care este prezentă defecțiunea. După ce defecțiunea este eliminată, are loc o pierdere nesemnificativă de capacitate electrică, iar celelalte proprietăți electrice ale condensatorului sunt restabilite la valorile nominale. În plus față de utilizarea peliculei din polipropilenă, materialul de metalizare și grosimea acestuia sunt factori importanți pentru auto-reparare. În cazul în care condensatoarele nu sunt proiectate cu grijă, optimizarea pentru auto-reparare le poate face mai sensibile la condiții de mediu extreme. Ca atare, acestea beneficiază de niveluri mai ridicate de testare a calificării, precum THB.

Calificarea THB

Testarea privind calificarea THB se utilizează în mod obișnuit pentru aplicațiile din industria auto, energetică și industrială pentru a evalua fiabilitatea pe termen lung a componentelor. Testarea THB accelerează degradarea componentelor și măsoară parametrii electrici după o perioadă de timp definită în condiții de polarizare c.a. sau c.c. specificate. IEC 60384-14, AMD1:2016, definește trei grade pentru THB I (A și B), II (A și B) și III (A și B) (Tabelul 3). Cerințele pentru îndeplinirea celui mai înalt grad, IIIB, includ expunerea la 85°C și 85% UR timp de 1.000 de ore. Pentru a trece testul, un condensator cu peliculă trebuie să demonstreze:

• Modificarea capacității electrice de ≤ 10%
• Schimbarea factorului de disipare (∆tan δ) de ≤ 150 * 10⁻⁴ (la 1 kilohertz (kHz) pentru condensatoare cu valori nominale de > 1 microfarad (µF))
• Schimbarea factorului de disipare (∆tan δ) de ≤ 240 * 10⁻⁴ (la 10 kHz pentru condensatoare cu o capacitate nominală ≤ 1 µF)
• Rezistența la izolare ≥ 50% din limita inițială sau minim 200 megaohmi (MΩ)

Tabelul 3: Cea mai recentă ediție a IEC 60384-14 include șase opțiuni pentru testarea THB. (Sursa tabelului: KEMET)

Condensatoare miniaturale X2

Atunci când este necesar un condensator X2, proiectanții pot apela la condensatoarele radiale cu peliculă de polipropilenă din seria R53B de la KEMET, incluzând valori ale capacității electrice cuprinse între 0,1 și 22 µF și care sunt încapsulate cu rășină cu auto-stingere într-o carcasă din plastic turnat ce îndeplinește cerințele de inflamabilitate ale standardului UL 94 V-0 (Figura 2). Distanțele dintre conductoarele acestor condensatoare miniaturale se încadrează între 15 și 37,5 milimetri (mm) și, în medie, volumul acestora este cu 60% mai mic decât al condensatoarelor X2 standard, permițând soluții mai mici și mai ușoare. Aceste condensatoare au calificare AEC-Q200 și un rating de clasă IIIB pentru testarea THB IEC 60384-14.

De exemplu, modelul R53BI31505000K este evaluat pentru 800 volți curent continuu (V c.c.) și 0,15 µF ±10%, iar modelul R53BI322050S0M este evaluat pentru 800 Vc.c. și 0,22 µF ±20%.

Figura 2: Condensatoarele X2 R53B sunt încapsulate cu rășină cu auto-stingere într-o carcasă din plastic turnat care îndeplinește cerințele de inflamabilitate UL. (Sursa imaginii: KEMET)

Condensatoare de siguranță clasa X1/Y2

Condensatoarele de siguranță X1/Y2 din seria R41B de la KEMET sunt disponibile cu capacități electrice cuprinse între 0,0022 și 1,2 µF, cu tensiuni nominale de până la 1.500 V c.c. și toleranțe de ±20% sau ±10%. Ambalate în mod similar cu dispozitivele R53B, condensatoarele R41B prezintă distanțe între conductoare cuprinse între 10 și 37,5 mm, volume mici și performanțe THB de grad IIIB. Condensatoarele R41B, cum ar fi R41BF122050T0K (2.200 picofarazi (pF) și 1.500 Vc.c.), au o durată de funcționare de 2.000 de ore la 125°C.

Atât condensatoarele de siguranță R53B, cât și R41B sunt potrivite pentru utilizarea în încărcătoare de bord pentru vehiculele electrice (EV), convertoare de energie solară și eoliană, mecanisme VFD și alte aplicații industriale, precum și în proiectări ale convertoarelor de putere bazate pe SiC și GaN.

Cerințe privind lipirea

Condensatoarele de siguranță cu peliculă din polipropilenă metalizată sunt robuste din punct de vedere electric și ecologic și oferă un nivel ridicat de protecție a operatorului, însă necesită o atenție specială atunci când sunt lipite pe o placă de circuite imprimate. Polipropilena prezintă un punct de topire cuprins între 160°C și 170°C. Atunci când sunt utilizate cu aliaje de lipit tradiționale din staniu-plumb (SnPb), care au o temperatură liquidus de 183°C, există tehnici simple care pot fi utilizate pentru atașarea fiabilă a acestor condensatoare la o placă de circuite imprimate.

Directiva RoHS și miniaturizarea componentelor s-au combinat, făcând din lipirea condensatoarelor cu peliculă din polipropilenă un proces mai complex. Directiva prevede utilizarea de aliaje de staniu-argint-cupru (SnAgCu) sau de staniu-cupru (SnCu). Temperaturile obișnuite de lipire pentru noile aliaje sunt cuprinse între 217°C și 221°C, provocând o solicitare termică crescută asupra componentelor, care le poate degrada sau deteriora permanent. Temperaturile mai ridicate de lipire în valuri și cu preîncălzire pot crea condiții termice dăunătoare pentru componentele mici, cum ar fi condensatoarele miniaturale cu peliculă din polipropilenă. KEMET recomandă utilizatorilor să implementeze curba de lipire în valuri din IEC 61760-1 Ediția 2 atunci când utilizează condensatoare de siguranță cu peliculă din polipropilenă (Figura 3).

Figura 3: Pentru a preveni deteriorarea termică la lipirea condensatoarelor de siguranță cu peliculă din propilenă, KEMET recomandă utilizatorilor să implementeze curba de lipire în valuri din IEC 61760-1 Ediția 2. (Sursa imaginii: KEMET)

Atunci când este necesară lipirea manuală, KEMET recomandă ca temperatura la vârful fierului de lipit să fie setată la 350°C (+10°C maxim). Lipirea manuală trebuie limitată la 3 secunde sau mai puțin pentru evitarea deteriorării componentelor.

Nu se recomandă lipirea cu reflux tipică pentru condensatoarele cu peliculă din polipropilenă cu găuri. KEMET recomandă, de asemenea, ca aceste condensatoare să nu fie trimise prin intermediul unui cuptor de întărire a adezivului utilizat pentru fixarea componentelor cu montare pe suprafață. Condensatoarele trebuie adăugate la placa de circuite imprimate după ce s-a întărit adezivul pentru piesele de montare pe suprafață. În cazul în care componentele cu găuri trebuie să treacă printr-un proces de întărire a adezivului sau dacă este necesară o lipire cu reflux, consultați fabrica pentru detalii privind profilul de temperatură admisibil al cuptorului.

Concluzie

Proiectanții trebuie să asigure atât siguranța echipamentelor, cât și a utilizatorilor, respectând în același timp cerințele cheie de proiectare. Condensatoarele de siguranță X și Y sunt utilizate pentru a proteja echipamentele împotriva interferențelor EMI excesive și pentru a proteja utilizatorii de pericole. Utilizând condensatoare de siguranță cu peliculă din polipropilenă metalizată robustă și fiabilă de la KEMET, proiectanții pot îndeplini cerințele IEC 60384-14 gradul IIIB HTB și pot obține calificarea conform AEC-Q200. Aceste condensatoare acceptă soluții compacte, ușoare și necostisitoare într-o gamă de aplicații industriale, vehicule electrice (EV) și convertoare de putere WBG.

Lectură recomandată

1. Cum să creșteți eficiența și fiabilitatea infrastructurii energetice, reducând în același timp costurile
2. Când și cum să utilizați corecția factorului de putere cu pol de ieșire în contratimp fără punte
3. Concepeți o corecție mai eficientă a factorului de putere folosind semiconductoarele de bandă largă și controlul digital