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如何為汽車和工業(yè)電源轉(zhuǎn)換器實(shí)施穩(wěn)健的小型 EMI 控制解決方案

發(fā)布時(shí)間:2023-03-08 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】確保設(shè)備和用戶的安全對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)至關(guān)重要,而電容器則發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在諸如電動(dòng)汽車 (EV) 充電器、變頻器 (VFD) 的電磁干擾 (EMI) 過(guò)濾器、LED 驅(qū)動(dòng)器等系統(tǒng)中,以及諸如電容式電源和電源轉(zhuǎn)換器等高能量密度應(yīng)用中,元器件尺寸、重量和可靠性同樣具有舉足輕重的作用。

 

確保設(shè)備和用戶的安全對(duì)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)至關(guān)重要,而電容器則發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在諸如電動(dòng)汽車 (EV) 充電器、變頻器 (VFD) 的電磁干擾 (EMI) 過(guò)濾器、LED 驅(qū)動(dòng)器等系統(tǒng)中,以及諸如電容式電源和電源轉(zhuǎn)換器等高能量密度應(yīng)用中,元器件尺寸、重量和可靠性同樣具有舉足輕重的作用。

所有這些應(yīng)用面臨共同的挑戰(zhàn)是采購(gòu)用于線對(duì)線的緊湊堅(jiān)固型高壓 X1 和 X2 安全電容器、用于線對(duì)地 EMI 濾波的 Y2 電容器,這些器件的額定溫度/濕度/偏壓 (THB) 等級(jí)為 IIIB,可在 -40°C 至+125°C 之間運(yùn)行,并且符合國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 60384-14 和汽車電子理事會(huì) (AEC) Q200 的要求。

為了滿足這些要求,設(shè)計(jì)人員可以使用小型聚丙烯薄膜 X1、X2 和 Y2 的 EMI 抑制安全電容器。這些產(chǎn)品符合 IEC 60384-14 要求,獲得了 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證且具有最高的 IEC 穩(wěn)健性分類,適用于在惡劣環(huán)境條件下要求高可靠性和更長(zhǎng)壽命的應(yīng)用。這類小型自愈式電容器比傳統(tǒng) X1、X2 和 Y2 安全電容器要小得多,可以縮小印刷電路板(PC 板)面積,減小重量和成本。

本文將回顧安全電容器的電路應(yīng)用,以及 IEC 60384-14 和 AEC-Q200 測(cè)試和環(huán)境要求。然后比較 X2 聚丙烯薄膜電容器的并聯(lián)和串聯(lián)結(jié)構(gòu),并舉例介紹 KEMET 適合 Y2、X1 和 X2 安全應(yīng)用的小型電容器,這些電容器符合 IEC 60384-14的要求,獲得了 AEC-Q200 認(rèn)證。本文還給出了這類電容器的焊接建議。

安全電容器的作用

安全電容器有兩個(gè)與安全有關(guān)的功能。安全濾波器過(guò)濾、抑制到達(dá)配電網(wǎng)的噪聲,并保護(hù)設(shè)備免受由雷電、電機(jī)換向和其他源頭引起的電壓尖峰的潛在損害。安全電容器還能保護(hù)設(shè)備用戶免受潛在的傷害。安全電容器是根據(jù)這兩種功能來(lái)分類和定義的。

從線路到中性點(diǎn)的差模 EMI 由 X 電容處理。Y 電容器處理共模干擾(圖 1)。如果 X 電容器發(fā)生故障,就有可能發(fā)生火災(zāi)。如果 Y 電容器發(fā)生故障,有可能造成用戶觸電。X 電容器采用短路情況下失效的設(shè)計(jì),以觸發(fā)保險(xiǎn)絲或斷路器并切斷電源電壓,從而消除火災(zāi)危險(xiǎn)。Y 電容器故障造成火災(zāi)危險(xiǎn)的可能性非常低,因?yàn)檫@些電容器采用開(kāi)路情況下失效的設(shè)計(jì),以防觸電。


如何為汽車和工業(yè)電源轉(zhuǎn)換器實(shí)施穩(wěn)健的小型 EMI 控制解決方案
圖 1:X 電容(藍(lán)色)用于過(guò)濾線對(duì)線干擾的 EMI,而 Y 電容(橙色)用于過(guò)濾線對(duì)地干擾。(圖片來(lái)源:KEMET)


除了分為“X”或者“Y”類外,EMI 濾波電容器可按照額定工作電壓及其峰值脈沖電壓處理能力進(jìn)行指定。在 Y 型電容器的情況下,還可按其是否具有基本絕緣或強(qiáng)化絕緣進(jìn)一步分類。目前有許多適用這些電容器的標(biāo)準(zhǔn),包括 IEC 60384-14、Underwriters Laboratories (UL) 1414、UL 1283、加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (CSA) C22.2 No.1 以及 CSA 384-14。IEC 60384-14 按峰值脈沖電壓定義了 X 電容器的子類,按額定電壓和絕緣類別定義了 Y 電容器。此外,還為不同的等級(jí)規(guī)定了不同形式的耐久性測(cè)試。X1、X2 和 Y2 是最常用的安全電容器(表 1)。

·X 電容器子類
        X3 電容器的峰值電壓脈沖等級(jí)小于或等于 1.2 kV
        X2 電容器的峰值電壓脈沖等級(jí)小于或等于 2.5 kV
        X1 電容器的峰值電壓脈沖等級(jí)超過(guò) 2.5 kv,小于或等于 4.0 kV

·Y 電容器子類
        Y4 電容器的額定電壓低于 150 VAC
        Y3 電容器的額定電壓為 150 V 至 250 VAC
        Y2 電容器的額定電壓從 150 V 至 500 VAC,具有基本絕緣
        Y1 電容器的額定電壓高達(dá) 500 VAC,具有雙重絕緣


如何為汽車和工業(yè)電源轉(zhuǎn)換器實(shí)施穩(wěn)健的小型 EMI 控制解決方案
表 1:IEC 60384-14 標(biāo)準(zhǔn)下,X 電容器按峰值脈沖電壓分類的示例和 Y 電容器按額定電壓和絕緣類型分類的示例。(表格來(lái)源:KEMET)


安全電容器的替代品

由于具有不同的額定電壓和不同的運(yùn)行能力,只有某些類型的 X 和 Y 電容器可以用來(lái)替代其他具有相同或更高額定電壓的電容器。例如,Y1 電容器具有相同的電壓等級(jí),但絕緣等級(jí)較高,可以作為 Y2 電容器的替代品使用。Y 電容器采用故障開(kāi)路設(shè)計(jì),可用來(lái)代替 X 電容器。但 X 電容器為了故障短路而設(shè)計(jì),不能替代 Y 電容器(表 2)。雖然 X 電容器可以充分過(guò)濾 EMI,但不符合 Y 電容器的線對(duì)地安全標(biāo)準(zhǔn)。

類型        替代
X1        Y1 或 Y2
X2        X1、Y1、或 Y2
Y2        Y1
Y1        無(wú)
表 2:某些 Y 電容器可以用作 X 電容器,但 X 電容器不能替代 Y 電容器。(表格來(lái)源:KEMET)

自愈

自愈能力是指金屬化電容器從暴露于電介質(zhì)擊穿造成的瞬間短路中恢復(fù)并迅速再生的能力。聚丙烯被認(rèn)為是自愈方面的最佳材料。聚丙烯的表面含氧量高,可以燒掉(清除)故障區(qū)域周圍的電極材料。故障清除后,會(huì)有一些不明顯的電容損失,而電容器的其他電氣特性也會(huì)恢復(fù)到額定值。除了使用聚丙烯薄膜外,金屬化材料及其厚度也是自愈的重要因素。如果電容器未經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì),針對(duì)自愈的優(yōu)化會(huì)使其更容易受到極端環(huán)境條件的影響。因此,如 THB 等更高水平的合格性測(cè)試會(huì)有益于這些電容器。

THB 合格性

THB 合格性測(cè)試通常適用于汽車、能源和工業(yè)應(yīng)用,用于衡量其部件的長(zhǎng)期可靠性。THB 測(cè)試加速了元件退化,并在規(guī)定的交流或直流偏置條件下、在規(guī)定的時(shí)間后測(cè)量電氣參數(shù)。IEC 60384-14、AMD1:2016 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三個(gè) THB 等級(jí)(A 和 B)、II(A 和 B)和 III(A 和 B)(表 3)。要滿足最高級(jí) (IIIB) 要求,包括在 85°C 和 85% RH 下暴露 1000 小時(shí)。為了通過(guò)測(cè)試,薄膜電容器必須證明:

· 電容變化 ≤10%
· 耗散系數(shù)變化 (Δtan δ) ≤ 150*10-4(在 1 kHz 時(shí),對(duì)于額定值大于 1 μF 的電容器)
· 耗散系數(shù)變化 (Δtan δ) ≤ 240*10-4(在 10 kHz 時(shí),對(duì)于額定值大于 ≤ 1 μF 的電容器)
· 絕緣電阻 ≥ 初始極限的 50% 或至少 200 MΩ。

等級(jí)                測(cè)試條件 A                測(cè)試條件 B
I                +40°C / 93% RH        +85°C / 85% RH
                21 天                        168 小時(shí)
II                +40°C / 93% RH         +85°C / 85% RH
                56 天                        500 小時(shí)
I                +60°C / 93% RH        +85°C / 85% RH
                56 天                        1,000 小時(shí)
表 3:最新版 IEC 60384-14 標(biāo)準(zhǔn)給出了 THB 測(cè)試的六個(gè)選擇。(表格來(lái)源:KEMET)

小型 X2 電容器

當(dāng)需要 X2 電容器時(shí),設(shè)計(jì)人員可以采用 KEMET 的 R53B 系列 徑向聚丙烯薄膜電容器,其電容范圍為 0.1 - 22 μF,并在符合 UL 94 V-0 可燃性要求的模塑殼中采用自熄性樹(shù)脂進(jìn)行封裝(圖 2)。這種小型電容器的引線間距為 15 - 37.5 mm,平均而言,其體積比標(biāo)準(zhǔn) X2 電容器小 60%,是一種更小更輕的解決方案。這種電容器符合 AEC-Q200 要求,在 IEC 60384-14 THB 測(cè)試中達(dá)到了 IIIB 級(jí)。

例如,R53BI31505000K 的額定電壓為 800 VDC,電容為 0.15 μF ±10%,而 R53BI322050S0M 的額定電壓為 800 VDC,電容為 0.22μF ±20%。


如何為汽車和工業(yè)電源轉(zhuǎn)換器實(shí)施穩(wěn)健的小型 EMI 控制解決方案
圖 2:R53B X2 電容器采用自熄性樹(shù)脂封裝和符合 UL 可燃性要求的模塑外殼。(圖片來(lái)源:KEMET)


X1/Y2 安全電容器

KEMET R41B 系列 X1/Y2 安全電容器的電容值范圍為 0.0022 - 1.2 μF,額定電壓高達(dá) 1,500 VDC,公差為 ±20% 或 ±10%。R41B 電容器的封裝與 R53B 電容器類似,其引線間距為 10 - 37.5 mm,體積小且具有 IIIB 級(jí) THB 性能。像 R41BF122050T0K(2200pF)、1500VDC)這樣的 R41B 電容器,在 125°C 下的額定工作時(shí)間為 2000 小時(shí)。

R53B 和 R41B 安全電容器都適用于電動(dòng)汽車的車載充電器、風(fēng)能和太陽(yáng)能電源轉(zhuǎn)換器、VFD 和其他工業(yè)應(yīng)用,以及基于 SiC 和 GaN 的電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。

焊接要求

金屬化聚丙烯薄膜安全電容器在電氣和環(huán)境方面都非常穩(wěn)健,并能為操作者提供高水平保護(hù),但在 PC 板上焊接時(shí)需要特別注意。聚丙烯的熔點(diǎn)在 160℃ 和 170℃ 之間。當(dāng)使用液態(tài)溫度為 183°C 的傳統(tǒng)錫鉛 (SnPb) 焊料時(shí),可采用一些簡(jiǎn)單的技術(shù)將這些電容器牢固地焊接到電路板上。

RoHS 指令要求以及元件小型化,使聚丙烯薄膜電容器的焊接變得更加復(fù)雜。該指令要求使用錫銀銅 (SnAgCu) 或錫銅 (SnCu) 合金。新合金的常見(jiàn)焊接溫度為 217°C 至 221°C,會(huì)導(dǎo)致元件上的熱應(yīng)力增加,可能使其性能退化或永久損壞。較高的預(yù)熱和波峰焊溫度會(huì)給小型聚丙烯薄膜電容器等小型元件造成破壞性的熱條件。KEMET 建議用戶在使用聚丙烯薄膜安全電容器時(shí),執(zhí)行 IEC 61760-1 第 2 板的波峰焊曲線(圖 3)。


如何為汽車和工業(yè)電源轉(zhuǎn)換器實(shí)施穩(wěn)健的小型 EMI 控制解決方案
圖 3:為了防止在焊接聚丙烯薄膜安全電容器時(shí)出現(xiàn)熱損傷,KEMET 建議用戶按照 IEC 61760-1 第 2 版中的波峰焊曲線進(jìn)行操作。(圖片來(lái)源:KEMET)


當(dāng)需要手動(dòng)焊接時(shí),KEMET 建議將烙鐵頭的溫度設(shè)定為 350°C(最高 +10°C)。手動(dòng)焊接應(yīng)限制為 3 秒或更短的時(shí)間,以免損壞元件。

對(duì)于通孔式聚丙烯薄膜電容器,則不建議采用典型的回流焊接法。KEMET 還建議,不應(yīng)將這些電容器放入用于連接表面貼裝元件的粘合劑固化爐。電容器應(yīng)在表面貼裝部件的粘合劑固化后再添加到印刷電路板上。如果需要通孔元件參與粘合劑固化過(guò)程或者進(jìn)行回流焊接,請(qǐng)就詳細(xì)的烤箱允許溫度曲線咨詢廠家。

結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)人員需要在滿足關(guān)鍵的設(shè)計(jì)要求的同時(shí),確保設(shè)備和用戶安全。X 和 Y 安全電容器用于保護(hù)設(shè)備免受過(guò)多的電磁干擾,保護(hù)用戶免受傷害。使用 KEMET 堅(jiān)固可靠的小型化聚丙烯金屬化薄膜安全電容器,設(shè)計(jì)人員可以滿足 IEC 60384-14 IIIB 級(jí) HTB 和 AEC-Q200 的要求。這些電容器支持一系列工業(yè)、電動(dòng)汽車和 WBG 電源轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中的緊湊、輕量和低成本解決方案。

(作者:Jeff Shepard)


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