Ograniczanie EMI w samochodowych i przemysłowych przetwornicach mocy

Zapewnienie bezpieczeństwa zarówno sprzętu, jak i użytkowników ma kluczowe znaczenie dla projektantów, w czym 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 tego typu 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)