Kuinka toteuttaa robusti ja pienikokoinen EMI-suojaus autoteollisuuden ja teollisuuden virtamuuntimiin?

Sekä laitteiden että käyttäjien turvallisuuden varmistaminen on suunnittelijoiden kannalta ratkaisevan tärkeää, ja kondensaattorit ovat tässä avainasemassa. Muita kriittisiä tekijöitä ovat myös komponentin koko, paino ja luotettavuus sellaisissa järjestelmissä kuten sähköajoneuvojen (EV) laturit, VDF (Variable Frequency Drive) -käyttöjen EMI (ElectroMagnetic Interference) -suodattimet, lediohjaimet sekä energiatiheät sovellukset, kuten kapasitiiviset virtalähteet ja virtamuuntimet.

Kaikissa näissä sovelluksissa yhteisenä haasteena on löytää kompaktit ja robustit korkeajännitteiset X1- ja X2-suojauskondensaattorit jännitelinjojen väliseen sekä Y2-kondensaattorit jännitelinjan ja maatason väliseen EMI-suodatukseen. Kondensaattoreilla on oltava THB (Temperature/Humidity/Bias) -luokitus IIIB lämpötiloissa −40 °C ... +125 °C, ja niiden on täytettävä IEC (International Electrotechnical Commission) 60384-14- ja AEC (Automotive Electronics Council) Q200-vaatimukset.

Täyttääkseen nämä vaatimukset suunnittelijat voivat käyttää EMI-suojaukseen pienikokoisia X1-, X2- ja Y2-polypropyleeni-kalvokondensaattoreja. Nämä täyttävät IEC 60384-14-vaatimukset ja niillä on AEC-Q200-hyväksyntä. Niillä on myös korkein IEC-robustisuusluokitus sovelluksiin, joissa vaaditaan korkeaa luotettavuutta ja pitkää käyttöikää vaativissa ympäristöolosuhteissa. Nämä pienikokoiset itsekorjautuvat kondensaattorit ovat huomattavasti pienempiä kuin perinteiset X1-, X2- ja Y2-suojauskondensaattorit, mikä mahdollistaa pienemmän piirilevyn, pienemmän painon ja edullisemman hinnan.

Tässä artikkelissa tarkastellaan suojauskondensaattorien sovelluspiirejä sekä IEC 60384-14- ja AEC-Q200-testausta ja ympäristövaatimuksia. Sen jälkeen artikkelissa vertaillaan rinnakkais- ja sarjarakennetta X2-polypropyleeni-kalvokondensaattorien kohdalla ja esitellään esimerkkejä pienikokoisista kondensaattoreista, jotka sopivat Y2-, X1- ja X2-suojaussovelluksiin. Kondensaattorien valmistaja on KEMET, ne täyttävät IEC 60384-14 -vaatimukset ja niillä on AEC-Q200-hyväksyntä. Artikkelissa esitetään myös suosituksia näiden kondensaattorien juottamista varten.

Suojauskondensaattorien rooli

Suojauskondensaattoreja käytetään kahdessa suojaustehtävässä. Ne suodattavat ja vaimentavat sähköverkosta tulevaa kohinaa sekä suojaavat laitteita mahdollisilta salamoiden, moottorien kommutoinnin tai muiden lähteiden synnyttämiltä jännitepiikeiltä. Ne myös suojaavat laitteiden käyttäjiä mahdollisilta vammoilta. Ne on myös luokiteltu ja spesifioitu molempien toimintojen mukaisesti.

Differentiaalimuotoinen EMI jännitelinjan ja maatason välillä hoidetaan X-kondensaattoreilla. Y-kondensaattorit hoitavat yhteismuotoiset häiriöt (kuva 1). X-kondensaattorin vikaantuminen saattaa synnyttää tulipalon. Jos Y-kondensaattori vikaantuu, käyttäjät saattavat saada sähköiskun. X-kondensaattorit on suunniteltu siten, että vikaantuessaan ne synnyttävät oikosulun, mikä polttaa sulakkeen tai katkaisee johdonsuojakatkaisijan ja tällä tavalla katkaisee syöttöjännitteen tulipalovaaran eliminoimiseksi. Y-kondensaattorivian synnyttämän tulipalon riski on hyvin pieni, koska nämä kondensaattorit on suunniteltu vikaantumaan avoimeksi piiriksi ja näin suojaamaan käyttäjiä sähköiskuilta.

Kuva 1: X-kondensaattorit (sininen) on suunniteltu suodattamaan jännitetasojen väliset EMI-häiriöt, kun Y-kondensaattorit (oranssi) taas suodattavat jännitelinjan ja maatason välisiä häiriöitä. (Kuvan lähde: KEMET)

Sen lisäksi että ne on luokiteltu X- tai Y-kondensaattoriksi, EMI-suodatuskondensaattoreille määritetään käyttöjänniteluokitus ja maksimi impulssijännite, jonka ne kestävät. Y-kondensaattoreille määritetään myös se käytetäänkö niissä perustason eristettä vai vahvistettua eristettä. Näitä kondensaattoreja koskien on kehitetty lukuisia standardeja, mukaan lukien IEC 60384-14, UL (Underwriters Laboratories) 1414, UL 1283, CSA (Canadian Standards Association) C22.2 Nro 1 sekä CSA 384-14. IEC 60384-14 määrittää X-kondensaattoreille aliluokat niiden hetkellisen impulssijännitteen mukaan ja Y-kondensaattoreille niiden jänniteluokituksen ja eristekategorian mukaan. Lisäksi eri luokille on määritetty erityyppiset kestotestit. X1, X2 ja Y2 ovat tavallisimmin käytetyt suojauskondensaattorit (taulukko 1):

• X-kondensaattorien aliluokat
  • X3-kondensaattorien hetkellinen jännitepulssiluokitus on 1,2 kilovolttia (kV) tai vähemmän
  • X2-kondensaattorien hetkellinen jännitepulssiluokitus on 2,5 kV tai vähemmän
  • X1-kondensaattorien hetkellinen jännitepulssiluokitus on enemmän kuin 2,5 kV ja 4,0 kV tai vähemmän
• Y-kondensaattorien aliluokat
  • Y4-kondensaattorien jänniteluokitus on alle 150 volttia vaihtovirtaa (V_AC)
  • Y3-kondensaattorien jänniteluokitus on 150–250 V_AC
  • Y2-kondensaattorien jänniteluokitus on 150–500 V_AC ja niissä käytetään perustason eristystä
  • Y1-kondensaattorien jänniteluokitus on yli 500 V_AC ja niissä käytetään kaksoiseristystä

Taulukko 1: Esimerkkejä X-kondensaattorien IEC 60384-14 -luokituksesta niiden hetkellisen impulssijännitteen mukaan ja Y-kondensaattorien jänniteluokituksen ja eristetyypin mukaan. (Taulukon lähde: KEMET)

Suojauskondensaattorien korvaaminen

Erilaisista jänniteluokituksista ja erilaisista suorituskykyominaisuuksista johtuen ainoastaan tietyn tyyppisiä X- ja Y-kondensaattoreita voidaan käyttää toisen tyyppisten kondensaattorien korvaamiseen samalla tai korkeammalla jänniteluokituksella. Esimerkiksi Y1-kondensaattoreilla on sama jänniteluokitus mutta korkeampi eristysluokitus, ja niitä voidaan käyttää korvaamaan Y2-kondensaattorit. Y-kondensaattorit on suunniteltu siten, että vioittuessaan ne muodostavat avoimen piirin, ja niitä voidaan käyttää X-kondensaattorien sijasta. Mutta X-kondensaattorit on suunniteltu vioittuessaan muodostamaan oikosulun eikä niillä voi korvata Y-kondensaattoria (taulukko 2). Vaikka X-kondensaattori pystyykin suodattamaan riittävän hyvin EMI-häiriöitä, se ei täytä Y-kondensaattorin jännitelinjan ja maatason välisiä turvallisuusvaatimuksia .

Taulukko 2: Joitain Y-kondensaattoreita voidaan käyttää X-kondensaattoreina, mutta X-kondensaattoreja ei voi käyttää Y-kondensaattoreina. (Taulukon lähde: KEMET)

Itsekorjautuva

Itsekorjautuvuus viittaa metallisoidun kondensaattorin kykyyn palautua hetkellisestä oikosulusta, koska sen dielektrinen materiaali pystyy hajoamisen jälkeen nopeasti generoitumaan uudelleen. Polypropyleeniä pidetään parhaana itsekorjautuvana materiaalina. Polypropyleenin korkea pintahappipitoisuus palaa pois elektrodimateriaalista vikakohdan ympäriltä. Sen jälkeen kun vika on korjautunut, kapasitanssi on laskenut merkittävästi, ja kondensaattorin muut sähköiset ominaisuudet palautuvat nimellisarvoihinsa. Polypropyleenikalvon lisäksi metallisointimateriaalilla ja sen paksuudella on tärkeä osuus itsekorjautuvuudessa. Ellei kondensaattoreita suunnitella huolellisesti, itsekorjautuvuuden optimointi voi tehdä ne herkemmiksi äärimmäisille ympäristöolosuhteille. Tästä syystä niitä kannattaa testata perusteellisesti käyttäen hyväksyntätestejä, kuten THB.

THB-hyväksyntä

THB-hyväksyntätestausta käytetään yleisesti autoteollisuus-, energia- ja teollisuussovelluksissa arvioitaessa komponenttien luotettavuutta pitkällä aikavälillä. THB-testaus nopeuttaa komponenttien heikentymistä ja mittaa niiden sähköiset parametrit tietyn ajan jälkeen määrätyllä AC- tai DC-biasjännitteellä. IEC 60384-14, AMD1:2016, määrittää kolme THB-luokkaa I (A ja B), II (A ja B) sekä III (A ja B) (taulukko 3). Korkeimman luokan IIIB vaatimuksiin kuuluu altistuminen 1000 tunniksi lämpötilalle 85 °C ja kosteudelle 85 % RH. Läpäistäkseen testin kalvokondensaattorin on osoitettava:

• Kapasitanssin muutos ≤ 10 %
• Häviökertoimen muutos (∆tan δ) ≤ 150 * 10⁻⁴ (taajuudella 1 kilohertsi (kHz) kondensaattoreille, joiden kapasitanssi on > 1 mikrofaradi (µF))
• Häviökertoimen muutos (∆tan δ) ≤ 240 * 10⁻⁴ (taajuudella 10 kHz kondensaattoreille, joiden kapasitanssi on ≤ 1 µF)
• Eristyksen resistanssi ≥ 50 % alkuarvosta tai vähintään 200 megaohmia (MΩ)

Taulukko 3: Uusin IEC 60384-14 -versio sisältää kuusi vaihtoehtoa THB-testaukselle. (Taulukon lähde: KEMET)

Pienikokoiset X2-kondensaattorit

Tarvitessaan X2-kondensaattoria suunnittelijat voivat käyttää KEMET R53B-sarjan radiaalisia polypropyleeeni-kalvokondensaattoreita, joiden kapasitanssiarvot ovat 0,1–22 µF, ja jotka käyttävät itsesammuvalla hartsilla päällystettyä valettua muovikoteloa, joka täyttää UL 94 V-0 -standardin syttyvyysvaatimukset (kuva 2). Näiden pienikokoisten kondensaattorien jalkaväli on 15–37,5 millimetriä (mm) ja niiden tilavuus on keskimäärin 60 % pienempi kuin tavallisten X2-kondensaattorien, mikä mahdollistaa pienemmät ja kevyemmät ratkaisut. Näillä kondensaattoreilla on AEC-Q200-hyväksyntä sekä IEC 60384-14 THB-testauksen mukainen luokitus IIIB.

Esimerkiksi malli R53BI31505000K on luokiteltu jännitteelle 800 VDC (Volts Direct Current) kapasitanssilla 0,15 µF ±10 % ja malli R53BI322050S0M on luokiteltu jännitteelle 800 VDC kapasitanssilla 0,22 µF ±20 %.

Kuva 2: R53B X2 -kondensaattorit käyttävät itsesammuvalla hartsilla päällystettyä valettua muovikoteloa, joka täyttää UL-standardin syttyvyysvaatimukset . (Kuvan lähde: KEMET)

Luokan X1/Y2-suojauskondensaattorit

KEMET R41B-sarjan X1/Y2-suojauskondensaattorit ovat saatavana kapasitanssiarvoilla 0,0022–1,2 µF, jopa 1500 VDC:n jänniteluokituksella ja toleransseilla ±20 % tai ±10 %. R41B-kondensaattorit käyttävät samaa koteloa kuin R53B, ja niiden jalkojen välinen etäisyys on 10–37,5 mm, niiden tilavuus on pieni ja ne tarjoavat THB-luokan IIIB suorituskyvyn. R41B-kondensaattorit kuten R41BF122050T0K (2200 pikofaradia (pF) ja 1500 VDC) on luokiteltu 2000 käyttötunniksi lämpötilassa 125 °C.

R53B- ja R41B-suojauskondensaattorit sopivat molemmat käytettäviksi ajoneuvoon integroiduissa EV-latureissa, tuuli- ja aurinkoenergian jännitemuuntimissa, taajuusmuuntajissa ja muissa teollisuussovelluksissa sekä SiC- ja GaN-pohjaisissa tehomuunninratkaisuissa.

Juottamista koskevat vaatimukset

Metallisoidut polypropyleeni-kalvosuojauskondensaattorit ovat sähköisesti ja rakenteellisesti lujatekoisia ja tarjoavat korkean suojaustason käyttäjälle, mutta niiden juottaminen piirilevyyn vaatii erityistä huomiota. Polypropyleenin sulamispiste on 160 °C – 170 °C. Käytettäessä perinteistä tina-lyijy-juotteita (SnPb), joiden lämpötila nestemuodossa on 183 °C, on muutamia yksinkertaisia tekniikoita, joita voidaan käyttää näiden kondensaattorien luotettavaan kiinnittämiseen piirilevylle.

RoHS-direktiivi ja komponenttien pienennys ovat yhdessä tehneet polypropyleeni-kalvokondensaattorien juottamisesta kompleksisempaa. Direktiivi vaatii tina-hopea-kupari- (SnAgCu) tai tina-kupari-seoksen (SnCu) käyttöä. Uusien seosten tavalliset juotoslämpötilat ovat 217 °C – 221 °C, mikä lisää komponenttien lämpökuormitusta ja saattaa heikentää niitä tai pysyvästi vaurioittaa niitä. Korkeammat esilämmitys- ja aaltojuotoslämpötilat saattavat vahingoittaa pieniä komponentteja, kuten pienikokoiset polypropyleeni-kalvokondensaattorit. KEMET suosittelee, että käyttäjät noudattavat IEC 61760-1 edition 2 aaltojuotoskurvia käytettäessä polypropyleeni-kalvosuojauskondensaattoreja (kuva 3).

Kuva 3: Jottei lämpö vaurioittaisi polypropyleeni-kalvosuojauskondensaattoreita, KEMET suosittelee, että käyttäjät noudattaisivat IEC 61760-1 edition 2 aaltojuotoskurvia. (Kuvan lähde: KEMET)

Jos sovellus vaatii manuaalista juotosta, KEMET suosittelee, että juotoskolvin kärjen lämpötilaksi asetetaan 350 °C (+10 °C maksimi). Manuaalinen juotos ei saisi kestää yli 3 sekuntia jotteivat komponentit vaurioidu.

Läpiasennettaville polypropyleeni-kalvokondensaattoreille ei suositella tyypillistä sulatusjuotosta. KEMET tiedottaa myös, ettei näitä komponentteja tulisi altistaa liiman kovettamiselle uunissa, mitä käytetään pintaliitoskomponenttien kiinnittämiseen piirilevyn pintaan. Kondensaattorit tulisi lisätä piirilevylle sen jälkeen kun pintaliitoskomponenttien liimaus on kovetettu. Jos läpiasennettavien komponenttien on käytävä läpi liiman kovettamisprosessi tai jos vaaditaan sulatusjuotosta, pyydä tehtaalta lisätietoja sallittavista lämpötilaprofiileista.

Yhteenveto

Suunnittelijoiden on varmistettava sekä laitteiden että käyttäjien turvallisuus ja samalla vastattava tärkeiden suunnitteluvaatimusten täyttäminen. X- ja Y-suojauskondensaattoreita käytetään suojaamaan laitteita liiallisilta EMI-häiriöiltä sekä suojaamaan käyttäjiä vaaroilta. Suunnittelijat voivat täyttää IEC 60384-14 luokan IIIB HTB- ja AEC-Q200-vaatimukset käyttämällä lujatekoisia, luotettavia, pienikoisia ja metalloituja KEMET polypropyleeni-kalvosuojauskondensaattoreita Nämä kondensaattorit mahdollistavat kompaktit, kevyet ja edulliset ratkaisut mitä erilaisimmissa teollisuus-, EV- ja WBG-tehomuunninsovelluksissa.

Suositeltavaa luettavaa

1. Miten luodaan tehokkaampi ja luotettavampi energiainfrastruktuuri ja samalla lasketaan kustannuksia
2. Milloin ja miten sillatonta toteemipaalu-tehokerroinkorjausta käytetään
3. Suunnittele tehokkaampi tehokertoimen korjaus leveää energiarakoa käyttävillä puolijohteilla ja digitaalisella ohjauksella