Robuste Miniatur-EMI-Kontrolle für Stromrichter in der Automobil- und Industrietechnik

Die Gewährleistung der Sicherheit von Geräten und Benutzern ist von entscheidender Bedeutung, und Kondensatoren spielen dabei eine Schlüsselrolle. Kritisch sind auch die Größe, das Gewicht und die Zuverlässigkeit der Komponenten in Systemen wie Ladegeräten für Elektrofahrzeuge, Filtern für elektromagnetische Interferenzen (EMI) in Frequenzumrichtern, LED-Treibern und Anwendungen mit hoher Energiedichte wie kapazitive Stromversorgungen und Stromwandler.

Eine generelle Herausforderung bei all diesen Anwendungen ist die Beschaffung von kompakten und robusten X1- und X2-Hochspannungs-Sicherheitskondensatoren für die Leitungs-zu-Leitungs- und Y2-Kondensatoren für die Leitungs-zu-Masse-EMI-Filterung, die für Temperatur/Feuchtigkeit/Bias (THB) Klasse IIIB für den Betrieb von -40°C bis +125°C ausgelegt sind und die Anforderungen der International Electrotechnical Commission (IEC) 60384-14 und des Automotive Electronics Council (AEC) Q200 erfüllen.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, können X1-, X2- und Y2-Miniatur-Polypropylenfolienkondensatoren zur EMI-Unterdrückung verwendet werden. Sie erfüllen die Anforderungen der Norm IEC 60384-14, sind AEC-Q200-qualifiziert und bieten die höchste IEC-Robustheitsklassifizierung für Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit und eine lange Lebensdauer unter rauen Umweltbedingungen erfordern. Diese selbstheilenden Miniaturkondensatoren sind deutlich kleiner als herkömmliche X1-, X2- und Y2-Sicherheitskondensatoren, was eine kleinere Leiterplattenfläche, ein geringeres Gewicht und niedrigere Kosten ermöglicht.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Schaltungsanwendungen für Sicherheitskondensatoren sowie über die Prüf- und Umweltanforderungen nach IEC 60384-14 und AEC-Q200. Anschließend werden Parallel- und Reihenkonstruktionen für X2-Polypropylen-Folienkondensatoren verglichen und Beispiele für Miniaturkondensatoren von KEMET vorgestellt, die für Y2-, X1- und X2-Sicherheitsanwendungen geeignet sind und die Anforderungen der Norm IEC 60384-14 erfüllen und AEC-Q200-qualifiziert sind. Es werden auch Empfehlungen für das Löten dieser Kondensatoren gegeben.

Die Rolle der Sicherheitskondensatoren

Sicherheitskondensatoren haben zwei sicherheitsrelevante Funktionen. Sie filtern und unterdrücken das im Stromverteilungsnetz ankommende Rauschen und schützen die Geräte vor möglichen Schäden durch Spannungsspitzen, die durch Blitzschlag, Motorkommutation und andere Quellen verursacht werden. Außerdem schützen sie die Benutzer der Geräte vor möglichen Verletzungen. Sie werden nach den beiden Funktionen klassifiziert und spezifiziert.

EMI im Differenzmodus von der Leitung zum Nullleiter wird durch X-Kondensatoren kontrolliert. Y-Kondensatoren kontrollieren Gleichtaktstörungen (Abbildung 1). Wenn ein X-Kondensator ausfällt, besteht die Gefahr eines Brandes. Wenn ein Y-Kondensator ausfällt, besteht für den Benutzer die Gefahr eines Stromschlags. X-Kondensatoren sind so konstruiert, dass sie im Falle eines Kurzschlusses eine Sicherung oder einen Schutzschalter auslösen und die Versorgungsspannung abschalten, um eine Brandgefahr zu vermeiden. Die Brandgefahr durch Ausfälle von Y-Kondensatoren ist sehr gering, da diese Kondensatoren so konstruiert sind, dass sie im offenen Zustand ausfallen und die Benutzer vor Stromschlägen schützen.

Abbildung 1: X-Kondensatoren (blau) filtern elektromagnetische Störungen von Leitung zu Leitung, während Y-Kondensatoren (orange) Störungen von der Leitung zur Erde filtern. (Bildquelle: KEMET)

EMI-Filterkondensatoren werden nicht nur als „X“ oder „Y“ klassifiziert, sondern auch nach ihrer Nennbetriebsspannung und der von ihnen verkraftbaren Spitzen-Impulsspannung spezifiziert. Bei Y-Kondensatoren wird weiter unterschieden, ob sie eine Basisisolierung oder eine verstärkte Isolierung haben. Für diese Kondensatoren sind zahlreiche Normen entwickelt worden, darunter IEC 60384-14, Underwriters Laboratories (UL) 1414, UL 1283, Canadian Standards Association (CSA) C22.2 No.1 und CSA 384-14. Die IEC 60384-14 definiert Unterklassen von X-Kondensatoren durch ihre Impulsspitzenspannung und Y-Kondensatoren durch ihre Nennspannungen und Isolationskategorien. Darüber hinaus werden für die verschiedenen Klassen unterschiedliche Formen von Ausdauerprüfungen festgelegt. X1, X2 und Y2 gehören zu den am häufigsten verwendeten Sicherheitskondensatoren (Tabelle 1):

• Unterklassen für X-Kondensatoren
  • X3-Kondensatoren haben eine Impulsspitzenspannung von höchstens 1,2 Kilovolt (kV)
  • X2-Kondensatoren haben eine Impulsspitzenspannung von höchstens 2,5 kV
  • X1-Kondensatoren haben eine Impulsspitzenspannung von mehr als 2,5 und höchstens 4,0 kV
• Unterklassen für Y-Kondensatoren
  • Y4-Kondensatoren haben eine Nennspannung unter 150 Volt Wechselstrom (V_AC)
  • Y3-Kondensatoren haben eine Nennspannung von 150 bis 250 V_AC
  • Y2-Kondensatoren haben eine Nennspannung von 150 bis 500 V_AC und eine einfache Isolierung
  • Y1-Kondensatoren haben eine Nennspannung von bis zu 500 V_AC und eine doppelte Isolierung

Tabelle 1: Beispiele für Klassifizierungen nach IEC 60384-14 für X-Kondensatoren nach ihrer Impulsspitzenspannung und Y-Kondensatoren nach ihrer Nennspannung und Isolationsart. (Quelle der Tabelle: KEMET)

Ersatz von Sicherheitskondensatoren

Aufgrund ihrer unterschiedlichen Spannungswerte und ihrer unterschiedlichen Leistungsfähigkeit können nur bestimmte Typen von X- und Y-Kondensatoren als Ersatz für andere Typen mit denselben oder höheren Spannungswerten verwendet werden. Zum Beispiel haben Y1-Kondensatoren die gleiche Nennspannung mit einer höheren Isolationsleistung und können als Ersatz für Y2-Kondensatoren verwendet werden. Y-Kondensatoren sind so ausgelegt, dass sie offen ausfallen und anstelle von X-Kondensatoren verwendet werden können. Ein X-Kondensator ist jedoch für einen Kurzschluss ausgelegt und kann einen Y-Kondensator daher nicht ersetzen (Tabelle 2). Ein X-Kondensator könnte zwar EMI angemessen filtern, würde aber nicht die Sicherheitskriterien eines Y-Kondensators für die Leitung gegen Erde erfüllen.

Einige X-Kondensatoren können durch Y-Kondensatoren ersetzt werden, aber Y-Kondensatoren können nicht durch X-Kondensatoren ersetzt werden. (Quelle der Tabelle: KEMET)

Selbstheilung

Unter Selbstheilung versteht man die Fähigkeit eines metallisierten Kondensators, sich nach einem kurzzeitigen Kurzschluss aufgrund eines dielektrischen Durchschlags zu erholen und schnell zu regenerieren. Polypropylen gilt als das beste Material in Bezug auf die Selbstheilung. Der hohe Oberflächensauerstoffgehalt von Polypropylen brennt das Elektrodenmaterial um den Fehlerbereich herum ab (reinigt es). Sobald der Fehler behoben ist, kommt es zu einem unbedeutenden Kapazitätsverlust, und die anderen elektrischen Eigenschaften des Kondensators erreichen wieder ihre Nennwerte. Neben der Verwendung von Polypropylenfolie sind auch das Metallisierungsmaterial und dessen Dicke wichtige Faktoren für die Selbstheilung. Wenn die Kondensatoren nicht sorgfältig konstruiert sind, kann die Optimierung für die Selbstheilung sie anfälliger für extreme Umweltbedingungen machen. Als solche profitieren sie von höheren Qualifikationsniveaus, wie zum Beispiel THB.

THB-Qualifikation

THB-Qualifikationstests werden häufig in der Automobilbranche, im Energiesektor und in der Industrie eingesetzt, um die langfristige Zuverlässigkeit von Bauteilen zu beurteilen. Die THB-Prüfung beschleunigt die Bauteildegradation und misst die elektrischen Parameter nach einer bestimmten Zeit unter festgelegten AC- oder DC-Vorspannungsbedingungen. IEC 60384-14, AMD1:2016, definiert die drei THB-Klassen I (A und B), II (A und B) und III (A und B) (Tabelle 3). Um die höchste Stufe IIIB zu erreichen, müssen sie 1000 Stunden lang 85 °C und 85 % Luftfeuchtigkeit ausgesetzt werden. Um den Test zu bestehen, muss ein Folienkondensator Folgendes demonstrieren:

• Kapazitätsänderung von ≤ 10%
• Änderung des Verlustfaktors (∆tan δ) von ≤ 150 * 10⁻⁴ (bei 1 Kilohertz (kHz) für Kondensatoren mit einem Nennwert von >1 Mikrofarad (µF))
• Änderung des Verlustfaktors (∆tan δ) von ≤ 240 * 10^-4 (bei 10 kHz für Kondensatoren mit einem Nennwert von ≤1 µF)
• Isolationswiderstand ≥ 50% des ursprünglichen Grenzwertes oder mindestens 200 Megaohm (MΩ)

Tabelle 3: Die neueste Ausgabe der Norm IEC 60384-14 enthält sechs Auswahlmöglichkeiten für die THB-Prüfung. (Quelle der Tabelle: KEMET)

X2-Miniaturkondensatoren

Wenn ein X2-Kondensator benötigt wird, kann die Serie R53B von KEMET verwendet werden, die radiale Polypropylen-Folienkondensatoren mit Kapazitätswerten von 0,1 bis 22 µF umfasst und mit selbstverlöschendem Harz in einem geformten Kunststoffgehäuse vergossen ist, das die Entflammbarkeitsanforderungen von UL 94 V-0 erfüllt (Abbildung 2). Diese Miniaturkondensatoren haben Leitungsabstände von 15 bis 37,5 Millimetern (mm) und haben im Durchschnitt 60 % weniger Volumen als X2-Standardkondensatoren, was kleinere und leichtere Lösungen ermöglicht. Diese Kondensatoren haben die AEC-Q200-Qualifikation und eine Einstufung nach Klasse IIIB für die THB-Prüfung nach IEC 60384-14.

Das Modell R53BI31505000K ist beispielsweise für 800 Volt Gleichstrom (VDC) und 0,15 µF ±10% ausgelegt, und das Modell R53BI322050S0M ist für 800 VDC und 0,22 µF ±20% ausgelegt.

Abbildung 2: Die X2-Kondensatoren R53B sind mit selbstverlöschendem Harz in einem geformten Kunststoffgehäuse eingekapselt, das den UL-Entflammbarkeitsanforderungen entspricht. (Bildquelle: KEMET)

Sicherheitskondensatoren der Klasse X1/Y2

Die X1/Y2-Sicherheitskondensatoren der Serie R41B von KEMET sind mit Kapazitäten von 0,0022 bis 1,2 µF, Nennspannungen bis zu 1500 VDC und Toleranzen von ±20% oder ±10% erhältlich. Die R41B-Kondensatoren sind ähnlich verpackt wie die R53B-Bauelemente, haben Leitungsabstände von 10 bis 37,5 mm, kleine Volumina und eine THB-Performance der Klasse IIIB. R41B-Kondensatoren wie der R41BF122050T0K (2200 Picofarad (pF) und 1500 VDC) sind für eine Betriebsdauer von 2000 Stunden bei 125°C ausgelegt.

Sowohl die R53B- als auch die R41B-Sicherheitskondensatoren eignen sich für den Einsatz in EV-Onboard-Ladegeräten, Wind- und Solarenergie-Stromrichtern, VFDs und anderen industriellen Anwendungen sowie in SiC- und GaN-basierten Stromrichterdesigns.

Anforderungen an das Löten

Metallisierte Polypropylen-Folienkondensatoren sind elektrisch und umwelttechnisch robust und bieten ein hohes Maß an Bedienerschutz, erfordern aber besondere Aufmerksamkeit beim Einlöten in eine Leiterplatte. Polypropylen hat einen Schmelzpunkt zwischen 160°C und 170°C. Bei der Verwendung mit herkömmlichen Zinn-Blei-Loten (SnPb), die eine Verflüssigungstemperatur von 183°C haben, gibt es einfache Techniken, um diese Kondensatoren zuverlässig auf einer Leiterplatte zu befestigen.

Die RoHS-Richtlinie und die Miniaturisierung der Bauteile haben das Löten von Polypropylen-Folienkondensatoren komplizierter gemacht. In der Richtlinie wird die Verwendung von Zinn-Silber-Kupfer- (SnAgCu) oder Zinn-Kupfer- (SnCu) Legierungen gefordert. Die üblichen Löttemperaturen für die neuen Legierungen liegen zwischen 217°C und 221°C, was zu einer erhöhten thermischen Belastung der Bauteile führt, die diese beeinträchtigen oder dauerhaft beschädigen kann. Höhere Vorwärm- und Wellenlöttemperaturen können für kleine Bauteile wie Miniatur-Polypropylen-Folienkondensatoren schädliche thermische Bedingungen schaffen. KEMET empfiehlt, bei der Verwendung von Polypropylen-Foliensicherheitskondensatoren die Wellenlötkurve aus IEC 61760-1 Ausgabe 2 anzuwenden (Abbildung 3).

Abbildung 3: Um thermische Schäden beim Löten von Polypropylen-Folienkondensatoren zu vermeiden, empfiehlt KEMET den Anwendern, die Wellenlötkurve aus IEC 61760-1 Ausgabe 2 anzuwenden. (Bildquelle: KEMET)

Wenn manuelles Löten erforderlich ist, empfiehlt KEMET, die Temperatur an der Spitze des Lötkolbens auf 350°C (maximal +10°C) einzustellen. Das manuelle Löten sollte auf 3 Sekunden oder weniger beschränkt werden, um eine Beschädigung der Bauteile zu vermeiden.

Das typische Reflow-Löten wird für Polypropylen-Folienkondensatoren zur Durchkontaktierung nicht empfohlen. KEMET weist außerdem darauf hin, dass diese Kondensatoren nicht durch einen Aushärtungsofen für Klebstoffe geschickt werden sollten, der für die Befestigung von oberflächenmontierten Komponenten verwendet wird. Die Kondensatoren sollten erst nach dem Aushärten des Klebstoffs für die oberflächenmontierten Teile auf der Leiterplatte angebracht werden. Wenn Bauteile zur Durchkontaktierung einen Klebstoffaushärtungsprozess durchlaufen müssen oder wenn Reflow-Löten erforderlich ist, wenden Sie sich an das Werk, um Einzelheiten über das zulässige Temperaturprofil des Ofens zu erfahren.

Fazit

Entwickler müssen sowohl die Sicherheit der Geräte als auch die der Benutzer gewährleisten und gleichzeitig die wichtigsten Konstruktionsanforderungen erfüllen. X- und Y-Sicherheitskondensatoren werden verwendet, um Geräte vor übermäßiger elektromagnetischer Beeinflussung (EMI) zu schützen und die Benutzer vor Schäden zu bewahren. Mit den robusten und zuverlässigen miniaturisierten Polypropylen-Metallfolien-Sicherheitskondensatoren von KEMET können Entwickler die Anforderungen der Norm IEC 60384-14 Klasse IIIB THB und von AEC-Q200 erfüllen. Diese Kondensatoren unterstützen kompakte, leichte und kostengünstige Lösungen in einer Reihe von industriellen, EV- und WBG-Stromrichteranwendungen.

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