Ipari és gépjárműipari áramátalakítók hatékony elektromágneses zavarszűrésének megvalósítása kis méretben

A tervezők számára kritikus fontosságú a berendezések és a felhasználók biztonságának garantálása, és ebben kulcsszerepet játszanak a kondenzátorok. Az olyan rendszerekben, mint a villanyjárművek (EV) töltői, a frekvenciaváltókban (VFD, variable frequency drive) használt elektromágneses zavarszűrők, a LED-meghajtók és a nagy energiasűrűségű alkalmazások, például a kapacitív tápegységek és az áramátalakítók, lényeges ezenkívül az alkatrészek mérete, tömege és megbízhatósága is.

Mindezen készülékek esetében közös kihívást jelent az olyan kis méretű, ám strapabíró, nagyfeszültségű X1 és X2 biztonsági kondenzátorok beszerzése a vezetékek közötti, valamint az Y2 kondenzátoroké a vezetékek és a test közötti elektromágneses zavarszűréshez, amelyek a THB IIIB osztályba sorolhatók (THB: temperature, humidity, bias, azaz hőmérséklet, páratartalom, előfeszítés), –40 °C és +125 °C közötti az üzemi hőmérséklet-tartományuk, és megfelelnek a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC) 60384-14 szabványa és a Gépjármű-elektronikai Tanács (AEC) Q200 szabványa által támasztott követelményeknek.

Ezeknek a követelményeknek a teljesítéséhez a tervezők használhatnak kis méretű X1, X2 és Y2 elektromágneses zavarszűrő biztonsági polipropilénfólia-kondenzátorokat. Ezek megfelelnek az IEC 60384-14 szabvány követelményeinek, AEC-Q200 minősítéssel és a legmagasabb IEC tartóssági besorolással rendelkeznek, ezért használhatók a zord környezeti viszonyok mellett nagy megbízhatóságot és hosszabb élettartamot igénylő felhasználási területeken. Ezek a miniatűr öngyógyító kondenzátorok lényegesen kisebbek, mint a hagyományos X1, X2 és Y2 biztonsági kondenzátorok, így kisebb helyet igényelnek a nyomtatott áramköri lapon (nyák), kisebb tömeget és alacsonyabb költségeket tesznek lehetővé.

Ez a cikk áttekinti a biztonsági kondenzátorok áramköri felhasználási módjait, valamint az IEC 60384-14 és az AEC-Q200 szabvány által előírt vizsgálati és környezeti követelményeket. Ezután összehasonlítja az X2 polipropilénfólia-kondenzátorok használatát párhuzamos és soros kapcsolásban, majd a KEMET cégtől vett példákat mutat az Y2, X1 és X2 biztonsági kondenzátorként való használatra alkalmas, az IEC 60384-14 szabvány követelményeinek megfelelő és AEC-Q200 minősítéssel rendelkező kis méretű kondenzátorokra. A cikkben a kondenzátorok beforrasztására vonatkozó ajánlások is szerepelnek.

A biztonsági kondenzátorok szerepe

A biztonsági kondenzátorok két biztonsági funkciót látnak el. Szűrik és elnyomják az áramelosztó hálózatra érkező zajt, és védik a berendezéseket a villámcsapás, a villanymotorok kommutációja és más források okozta feszültségtüskék miatti esetleges károsodásoktól. Emellett a berendezés használóit is védik a lehetséges sérülésektől. A biztonsági kondenzátorokat mindkét funkció szerint osztályozzák és meghatározzák.

Az X kondenzátorok az áramvezeték és a nullavezeték vagy testpont között fellépő differenciáljelek miatti, míg az Y kondenzátorok a közös módusú elektromágneses zavarokat kezelik (1. ábra). Ha az X kondenzátor meghibásodik, az a tűzveszély lehetőségét rejti. Ha az Y kondenzátor hibásodik meg, a felhasználót érő áramütés veszélye áll fenn. Az X kondenzátorok úgy vannak kialakítva, hogy meghibásodásuk esetén rövidzárként viselkedjenek, és emiatt kiolvadjon az olvadóbiztosíték vagy nyisson az áramkör-megszakító, lekapcsolva a tápfeszültséget a tűzveszély megszüntetése érdekében. Az Y kondenzátorok meghibásodásából eredő tűzveszély nagyon kicsi, mivel ezeket a kondenzátorokat úgy tervezik, hogy meghibásodásuk esetén szakadásként viselkedjenek, és így megvédjék a felhasználókat az áramütéstől.

1. ábra: Az X kondenzátorok (kék) a vezetékek közötti kölcsönhatásból eredő, míg az Y kondenzátorok (narancssárga) a vezetékek és a test között fellépő elektronmágneses zavarokat szűrik (kép: KEMET)

Az X és Y besorolás mellett az elektronmágneses zavarszűrő kondenzátorokat a névleges üzemi feszültségük és az általuk kezelt impulzuscsúcs-feszültség alapján határozzák meg. Az Y kondenzátorok további osztályozása aszerint történik, hogy alapszintű vagy megerősített szigeteléssel vannak-e ellátva. A különféle szervezetek számos ezekre a kondenzátorokra vonatkozó szabványt dolgoztak ki, ilyen többek között az IEC 60384-14, az Underwriters Laboratories (UL) 1414, az UL 1283, a Canadian Standards Association (CSA) C22.2 No.1 és a CSA 384-14 szabvány. Az IEC 60384-14 az X kondenzátorok alosztályait az impulzuscsúcs-feszültségük, az Y kondenzátorokéit pedig névleges feszültségük és szigetelési kategóriájuk alapján határozza meg. Ezenkívül a különböző osztályok számára különböző tartóssági tesztek vannak meghatározva. A leggyakrabban használt biztonsági kondenzátorok az X1, X2 és Y2 (1. táblázat):

• X kondenzátor-alosztályok
  • Az X3 kondenzátorok névleges impulzuscsúcs-feszültségértéke legfeljebb 1,2 kV.
  • Az X2 kondenzátorok névleges impulzuscsúcs-feszültségértéke legfeljebb 2,5 kV.
  • Az X1 kondenzátorok névleges impulzuscsúcs-feszültségértéke 2,5 kV-tól és 4,0 kV-ig terjed.
• Y kondenzátor-alosztályok
  • Az Y4 kondenzátorok névleges feszültsége 150 V váltakozó feszültség (V_AC) alatt van.
  • Az Y3 kondenzátorok névleges feszültsége 150 V és 250 V váltakozó feszültség (V_AC) közötti.
  • Az Y2 kondenzátorok névleges feszültsége 150 V és 500 V váltakozó feszültség (V_AC) között van, és alapszintű szigeteléssel vannak ellátva.
  • Az Y1 kondenzátorok névleges feszültsége 500 V váltakozó feszültség (V_AC) fölötti, és kettős szigeteléssel vannak ellátva.

1. táblázat: Példák az IEC 60384-14 szerinti osztályozásra, az X kondenzátorok esetében az impulzuscsúcs-feszültség, az Y kondenzátorok esetében pedig a névleges feszültség és a szigetelés típusa alapján (táblázat: KEMET)

Biztonsági kondenzátorok helyettesítése

A különböző névleges feszültségértékek és különböző teljesítménybeli képességek miatt az X és az Y kondenzátoroknak csak bizonyos típusai helyettesíthetők más, azonos vagy magasabb névleges feszültségértékű típusokkal. Például az Y1 kondenzátorok ugyanolyan névleges feszültségűek, de nagyobb szigetelési értékűek, ezért használhatók az Y2 kondenzátorok helyett. Az Y kondenzátorok úgy vannak kialakítva, hogy meghibásodásuk esetén szakadásként viselkedjenek, és használhatóak az X kondenzátorok helyett. Az X kondenzátorokat azonban úgy alakítják ki, hogy meghibásodásuk esetén rövidzárként viselkedjenek, ezért nem helyettesíthetik az Y kondenzátorokat (2. táblázat). Bár az X kondenzátorok az elektromágneses zavarokat képesek megfelelően szűrni, az Y kondenzátorok esetében a vezeték és test közötti biztonságra vonatkozó előírásoknak nem felelnek meg.

2. táblázat: Néhány Y kondenzátor használható X kondenzátorként, de X kondenzátorok nem használhatók Y kondenzátorok helyettesítésére (táblázat: KEMET)

Öngyógyító

Az öngyógyulás a fémbevonatos polipropilénfólia-kondenzátor azon képességére utal, hogy a szigetelő átütése miatti pillanatnyi rövidzárlatot követően gyorsan regenerálódik. Öngyógyítás szempontjából a polipropilént tartják a legjobb anyagnak. A polipropilén nagy felületi oxigéntartalma kiégeti (megtisztítja) az elektróda anyagát a hibás terület körül. A hiba kijavítása után elhanyagolható mértékben, de csökken a kapacitás, a kondenzátor egyéb villamos tulajdonságai pedig visszaállnak a névleges értékekre. A polipropilén fólia használata mellett a fémbevonat anyaga és vastagsága is fontos tényező az öngyógyítás szempontjából. Ha a kondenzátorokat nem gondosan tervezik, az öngyógyításra optimalizálás miatt érzékenyebbek lehetnek a szélsőséges környezeti viszonyokra. Ennek eredményeképpen előnyét látják a magasabb szintű minősítő teszteknek, amilyen a THB is.

THB-minősítés

A THB minősítő vizsgálatokat általában gépjárműipari, energetikai és ipari területeken használják az alkatrészek hosszú távú megbízhatóságának ellenőrzésére. A THB-vizsgálat felgyorsítja az alkatrész öregedését, és megadott váltakozó vagy egyenfeszültségű előfeszítési körülmények között töltött meghatározott idő után méri a villamos paramétereket. Az IEC 60384-14, AMD1:2016 három THB-fokozatot határoz meg: I (A és B), II (A és B) és III (A és B) (lásd: 3. táblázat). A legmagasabb IIIB fokozatnak való megfelelés követelményei között szerepel, hogy a terméket 1000 órán keresztül 85 °C hőmérsékletnek és 85%-os relatív páratartalomnak kell kitenni. A vizsgálaton való megfeleléshez a polipropilénfólia-kondenzátornak bizonyítania kell a következőket:

• ≤ 10%-os kapacitásváltozás
• A disszipációs tényező változása (∆tan δ) ≤ 150 * 10⁻⁴ (1 µF-nál nagyobb névleges kapacitású kondenzátorok esetén, 1 kHz frekvencián)
• A disszipációs tényező változása (∆tan δ) ≤ 240 * 10⁻⁴ (nem több mint 1 µF névleges kapacitású kondenzátorok esetén, 10 kHz frekvencián)
• Szigetelési ellenállás a kezdeti határérték 50%-a vagy legalább 200 MΩ

3. táblázat: Az IEC 60384-14 legújabb kiadásában a THB-vizsgálatra hat lehetőség van megadva (táblázat: KEMET)

Kis méretű X2 kondenzátorok

Ha X2 kondenzátorra van szükség, a tervezők használhatják a KEMET R53B sorozatú, 0,1 µF és 22 µF közötti kapacitásértékű, radiális lábkivezetésű polipropilénfólia-kondenzátorait, amelyek önkioltó gyantával kiöntött fröccsöntött műanyag tokban vannak elhelyezve, ami megfelel az UL 94 V-0 szabvány gyúlékonysági követelményeinek (2. ábra). Ezeknek a kis méretű kondenzátoroknak 15 mm és 37,5 mm közötti a lábtávolságuk, és átlagosan 60%-kal kisebb térfogatúak, mint a szokványos X2 kondenzátorok, ami kisebb és könnyebb eszközök készítését teszi lehetővé. Ezek a kondenzátorok AEC-Q200 minősítéssel, valamint IIIB osztályú IEC 60384-14 THB-minősítéssel rendelkeznek.

Az R53BI31505000K típus névleges értéke például 800 V egyenfeszültség (VDC) és 0,15 µF ±10%, az R53BI322050S0M típusé pedig 800 V egyenfeszültség és 0,22 µF ±20%.

2. ábra: Az R53B X2 kondenzátorok önkioltó gyantával kiöntött fröccsöntött műanyag tokban vannak elhelyezve, ami megfelel az UL szabvány gyúlékonysági követelményeinek (kép: KEMET)

X1/Y2 osztályú biztonsági kondenzátorok

A KEMET R41B sorozatú X1/Y2 biztonsági kondenzátorai 0,0022 µF és 1,2 µF közötti kapacitással, 1500 V egyenfeszültségig terjedő névleges feszültséggel és ±20%-os vagy ±10%-os tűréssel kaphatóak. Az R53B eszközökhöz hasonló tokozású R41B kondenzátorok 10 mm és 37,5 mm közötti lábtávolságúak, kis térfogatúak és IIIB THB-minősítésűek. Az R41B kondenzátorok – mint például az R41BF122050T0K (2200 pF és 1500 V egyenfeszültség) – névleges üzemideje 125 °C-on használva 2000 óra.

Mind az R53B, mind az R41B biztonsági kondenzátorok alkalmasak villanyjárművek fedélzeti töltőiben, szél- és napenergia-átalakítókban, frekvenciaváltókban (VFD) és más ipari berendezésekben, valamint SiC- és GaN-alapú áramátalakítókban való használatra.

Forrasztási követelmények

A biztonsági fémbevonatos polipropilénfólia-kondenzátorok villamosan és környezetállóság tekintetében strapabíróak, és a kezelők számára magas szintű védelmet nyújtanak, de a nyomtatott áramköri (nyák) lapra forrasztás során különleges figyelmet igényelnek. A polipropilén olvadáspontja 160 °C és 170 °C között van. A hagyományos ón-ólom (SnPb) forraszanyagokkal, amelyek folyási hőmérséklete 183 °C, ezek a kondenzátorok egyszerű technikák segítségével megbízhatóan rögzíthetőek a nyomtatott áramköri lapra.

Az egészségre ártalmas anyagok használatának tilalmára vonatkozó RoHS-irányelv és az alkatrészek miniatürizálása együttesen bonyolultabbá tette a polipropilénfólia-kondenzátorok forrasztását. Az irányelv ón-ezüst-réz (SnAgCu) vagy ón-réz (SnCu) ötvözetek használatát írja elő. Az új ötvözetek szokásos folyási hőmérséklete 217 °C és 221 °C között van. Ez az alkatrészeket nagyobb hőterhelésnek teszi ki, ami károsíthatja vagy véglegesen tönkreteheti azokat. A magasabb előmelegítési és hullámforrasztási hőmérsékletek káros hőmérsékleti körülményeket teremthetnek a kis alkatrészek, például a kis méretű polipropilénfólia-kondenzátorok számára. A KEMET azt ajánlja, hogy a felhasználók a biztonsági polipropilénfólia-kondenzátorok forrasztásakor használják az IEC 61760-1 2. kiadásában szereplő hullámforrasztási görbét (3. ábra).

3. ábra: A KEMET azt javasolja, hogy a felhasználók a biztonsági polipropilénfólia-kondenzátorok forrasztásakor fellépő hőkárosodás megelőzése érdekében használják az IEC 61760-1 2. kiadásában szereplő hullámforrasztási görbét (kép: KEMET)

Ha kézi forrasztásra van szükség, a KEMET azt javasolja, hogy a forrasztópáka hegyének hőmérsékletét 350 °C-ra (legfeljebb +10 °C) állítsák be. A kézi forrasztást az alkatrészek károsodásának elkerülése érdekében 3 másodpercre vagy annál rövidebb időre kell korlátozni.

A furatszerelt polipropilénfólia-kondenzátorok esetében nem ajánlott a szokványos újraolvasztó lágyforrasztás. A KEMET azt is tanácsolja, hogy ezeket a kondenzátorokat ne küldjék át a felületszerelt alkatrészek rögzítésére használt ragasztókikeményítő kemencén. A kondenzátorokat a felületszerelt alkatrészek ragasztójának kikeményedése után kell a nyomtatott áramköri lapra szerelni. Ha szükséges, hogy a furatszerelt alkatrészek valamilyen ragasztókikeményítő eljáráson menjenek keresztül, vagy ha újraolvasztó lágyforrasztásra van szükség, a megengedett kemencehőmérséklet-profilt illetően kérje ki a gyár tanácsát.

Összegzés

A tervezőknek oda kell figyelniük mind a berendezések, mind a felhasználók biztonságára, miközben a legfontosabb tervezési követelményeknek is meg kell felelniük. Az X és Y biztonsági kondenzátorok a berendezések túl erős elektromágneses zavarás elleni védelmére és a felhasználók sérülésének megelőzésére szolgálnak. A KEMET strapabíró és megbízható kisméretű biztonsági fémbevonatos polipropilénfólia-kondenzátorainak használatával a tervezők teljesíthetik az IEC 60384-14 szabvány IIIB osztályra vonatkozó THB-követelményeit, és megfelelhetnek az AEC-Q200 szabványnak. Ezek a kondenzátorok kis méretű, könnyű és alacsony költségű megoldások használatát teszik lehetővé számos ipari, villanyjárművekhez való és széles tiltott sávú (WBG) áramátalakító berendezésben.

Ajánlott olvasnivaló

1. How to Make Energy Infrastructure More Efficient and Reliable While Reducing Cost (Az energetikai infrastruktúra hatékonyabbá és megbízhatóbbá tétele a költségek csökkentése mellett)
2. When and How to Use Bridgeless Totem-Pole Power Factor Correction (Híd nélküli totemoszlop-kapcsolásos teljesítménytényező-javító áramkörök használata)
3. Design More Effective Power Factor Correction Using Wide Bandgap Semiconductors and Digital Control (Hatékonyabb teljesítménytényező-korrekció megvalósítása széles tiltott sávú félvezető anyagokkal és digitális vezérléssel)