วิธีการใช้การควบคุม EMI ขนาดเล็กที่แข็งแกร่งสำหรับยานยนต์และตัวแปลงไฟฟ้าอุตสาหกรรม

การรับรองความปลอดภัยของทั้งอุปกรณ์และผู้ใช้เป็นสิ่งสำคัญสำหรับนักออกแบบ และตัวเก็บประจุก็มีบทบาทสำคัญ สิ่งสำคัญอีกอย่างคือขนาดส่วนประกอบ น้ำหนัก และความน่าเชื่อถือในระบบ เช่น เครื่องชาร์จรถยนต์ไฟฟ้า (EV), ตัวกรองสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) ในไดรฟ์ความถี่ผันแปร (VFD), ไดรเวอร์ LED, และการใช้งานที่มีความหนาแน่นของพลังงานสูง เช่น แหล่งจ่ายไฟแบบเก็บประจุและเครื่องแปลงไฟ

ความท้าทายทั่วไปในการใช้งานเหล่านี้คือการจัดหาตัวเก็บประจุนิรภัย X1 และ X2 แรงดันสูงขนาดกะทัดรัดและทนทานสำหรับการกรอง EMI ระหว่างเฟส และตัวเก็บประจุ Y2 สำหรับการกรอง EMI ระหว่างเฟสและกราวด์ที่มีพิกัดอุณหภูมิ/ความชื้น/ไบอัส (THB) เกรด IIIB สำหรับการทำงานตั้งแต่ −40°C ถึง +125°C และตรงตามข้อกำหนดของ International Electrotechnical Commission (IEC) 60384-14 และ Automotive Electronics Council (AEC) Q200

เพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ นักออกแบบสามารถใช้ตัวเก็บประจุนิรภัยฟิล์มโพลีโพรพิลีนยับยั้ง EMI ขนาดเล็ก X1, X2 และ Y2 ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดของ IEC 60384-14 ผ่านเกณฑ์ AEC-Q200 และมีการจัดประเภทความทนทานสูงสุดของ IEC สำหรับการใช้งานที่ต้องการความน่าเชื่อถือสูงและอายุการใช้งานที่ยาวนานภายใต้สภาวะแวดล้อมที่ร้ายแรง ตัวเก็บประจุแบบซ่อมแซมตัวเองขนาดเล็กเหล่านี้มีขนาดเล็กกว่าตัวเก็บประจุนิรภัย X1, X2 และ Y2 ทั่วไปอย่างมาก ทำให้มีพื้นที่แผงวงจรพิมพ์ (บอร์ดพีซี) มีขนาดเล็กลง น้ำหนักที่ลดลง และต้นทุนที่ต่ำลง

บทความนี้จะศึกษาการใช้งานวงจรสำหรับตัวเก็บประจุนิรภัยพร้อมกับการทดสอบ IEC 60384-14 และ AEC-Q200 และข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อม จากนั้นจะเปรียบเทียบโครงสร้างแบบขนานและแบบอนุกรมสำหรับตัวเก็บประจุฟิล์มโพลีโพรพิลีน X2 และนำเสนอตัวอย่างตัวเก็บประจุขนาดเล็กที่เหมาะสำหรับการใช้งานแบบ Y2, X1, และ X2 นิรภัย จาก KEMET ที่เป็นไปตามข้อกำหนดของ IEC 60384-14 และผ่านการรับรอง AEC-Q200 นอกจากนั้นยังมีคำแนะนำสำหรับการบัดกรีตัวเก็บประจุเหล่านี้อีกด้วย

บทบาทของตัวเก็บประจุนิรภัย

ตัวเก็บประจุนิรภัย (Safety Capacitors) ทำหน้าที่เกี่ยวกับความปลอดภัยสองแบบ โดยจะกรองและระงับสัญญาณรบกวนที่มาถึงเครือข่ายการจ่ายไฟฟ้า และปกป้องอุปกรณ์จากความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นจากแรงดันไฟฟ้าพุ่งสูงที่เกิดจากฟ้าผ่า มอเตอร์คอมมิวเตชัน และจากแหล่งอื่นๆ นอกจากนั้นยังปกป้องผู้ใช้อุปกรณ์จากการบาดเจ็บที่อาจเกิดขึ้น ซึ่งมีการจำแนกและระบุประเภทตัวเก็บประจุนิรภัยตามหน้าที่ทั้งสอง

EMI โหมดดิฟเฟอเรนเชียลจากเฟสไปยังนิวทรัล ถูกจัดการโดยตัวเก็บประจุ X ตัวเก็บประจุ Y จัดการกับสัญญาณรบกวนโหมดทั่วไป (รูปที่ 1) หากตัวเก็บประจุ X ล้มเหลว มีความเป็นไปได้ที่จะเกิดไฟไหม้ ถ้าหากตัวเก็บประจุ Y ล้มเหลว ผู้ใช้มีความเสี่ยงที่จะเกิดไฟฟ้าช็อตได้ ตัวเก็บประจุ X ได้รับการออกแบบมาให้ทำงานล้มเหลวในสภาวะไฟฟ้าลัดวงจรเพื่อให้ฟิวส์หรือเบรกเกอร์ทำงาน และตัดแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายเพื่อไม่ให้เกิดอันตรายจากไฟไหม้ โดยอันตรายจากไฟไหม้จากความล้มเหลวของตัวเก็บประจุ Y นั้นต่ำมาก เนื่องจากตัวเก็บประจุเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาให้ทำงานล้มเหลวแบบเปิดวงจร และปกป้องผู้ใช้จากไฟฟ้าช็อต

รูปที่ 1: ตัวเก็บประจุ X (สีน้ำเงิน) ออกแบบมาเพื่อกรอง EMI จากการรบกวนระหว่างเฟส ขณะที่ตัวเก็บประจุ Y (สีส้ม) กรองสัญญาณรบกวนระหว่างเฟสและกราวด์ (แหล่งที่มาภาพ: KEMET)

นอกเหนือจากการจัดประเภทเป็น 'X' หรือ 'Y' แล้ว ตัวเก็บประจุกรอง EMI ยังแบ่งด้วยพิกัดแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้และตามแรงดันอิมพัลส์สูงสุดที่สามารถจัดการได้ ในกรณีของตัวเก็บประจุแบบ Y จะมีการจำแนกเพิ่มเติมตามว่ามีฉนวนพื้นฐานหรือฉนวนเสริมแรง มีการพัฒนามาตรฐานมากมายที่ใช้กับตัวเก็บประจุเหล่านี้ รวมถึง IEC 60384-14, Underwriters Laboratories (UL) 1414, UL 1283, Canadian Standard Association (CSA) C22.2 No.1 และ CSA 384-14 IEC 60384-14 กำหนดประเภทย่อยของตัวเก็บประจุ X โดยแรงดันอิมพัลส์สูงสุดและตัวเก็บประจุ Y ตามพิกัดแรงดันไฟฟ้าและประเภทฉนวน นอกจากนี้ยังมีการกำหนดรูปแบบการทดสอบความทนทานที่แตกต่างกันสำหรับคลาสต่างๆ X1, X2 และ Y2 เป็นหนึ่งในตัวเก็บประจุนิรภัยที่ใช้มากที่สุด (ตารางที่ 1):

• คลาสย่อยของตัวเก็บประจุ X
  • ตัวเก็บประจุ X3 มีพิกัดพัลส์ของแรงดันไฟฟ้าสูงสุดน้อยกว่าหรือเท่ากับ 1.2 กิโลโวลต์ (kV)
  • ตัวเก็บประจุ X2 มีพิกัดพัลส์ของแรงดันไฟฟ้าสูงสุดน้อยกว่าหรือเท่ากับ 2.5 kV
  • ตัวเก็บประจุ X1 มีพิกัดพัลส์ของแรงดันไฟฟ้าสูงสุดมากกว่า 2.5 และน้อยกว่าหรือเท่ากับ 4.0 kV
• คลาสย่อยของตัวเก็บประจุ Y
  • ตัวเก็บประจุ Y4 มีพิกัดแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่า 150 โวลต์กระแสสลับ (V_AC)
  • ตัวเก็บประจุ Y3 มีพิกัดแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 150 ถึง 250 V_AC
  • ตัวเก็บประจุ Y2 มีพิกัดแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 150 ถึง 500 V_AC และมีฉนวนแบบพื้นฐาน
  • ตัวเก็บประจุ Y1 มีพิกัดแรงดันไฟฟ้าสูงสุด 500 V_AC และฉนวนสองชั้น

ตารางที่ 1: ตัวอย่างการจำแนกประเภท IEC 60384-14 สำหรับตัวเก็บประจุ X ตามแรงดันอิมพัลส์สูงสุดและตัวเก็บประจุ Y ตามพิกัดแรงดันไฟฟ้าและประเภทฉนวน (แหล่งที่มาตาราง: KEMET)

การใช้ตัวเก็บประจุนิรภัยทนแทนกัน

เนื่องจากพิกัดแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันและความสามารถในการทำงานที่แตกต่างกัน ตัวเก็บประจุ X และ Y บางประเภทเท่านั้นที่สามารถใช้ทดแทนประเภทอื่นโดยจะต้องมีพิกัดแรงดันไฟฟ้าเท่ากันหรือสูงกว่า ตัวอย่างเช่น ตัวเก็บประจุ Y1 มีพิกัดแรงดันไฟฟ้าเท่ากันโดยมีพิกัดความเป็นฉนวนสูงกว่า และสามารถใช้แทนตัวเก็บประจุ Y2 ได้ ตัวเก็บประจุ Y ได้รับการออกแบบมาให้เปิดวงจรเมื่อล้มเหลวและสามารถใช้แทนตัวเก็บประจุ X ได้ แต่ตัวเก็บประจุ X ได้รับการออกแบบมาไม่ให้ลัดวงจรและไม่สามารถแทนที่ตัวเก็บประจุ Y ได้ (ตารางที่ 2) ในขณะที่ตัวเก็บประจุ X สามารถกรอง EMI ได้อย่างเพียงพอ แต่จะไม่รองรับเกณฑ์ความปลอดภัยระหว่างเฟสและกราวด์ของตัวเก็บประจุ Y

ตารางที่ 2: ตัวเก็บประจุ Y บางตัวสามารถใช้กับตัวเก็บประจุ X ได้ แต่ไม่สามารถใช้ตัวเก็บประจุ X แทนตัวเก็บประจุ Y ได้ (แหล่งที่มาตาราง: KEMET)

การซ่อมแซมตัวเอง

การซ่อมแซมตัวเองหมายถึงความสามารถของตัวเก็บประจุที่เป็นโลหะในการฟื้นตัวจากการสัมผัสเวลาสั้น ๆ เนื่องจากการสลายตัวของไดอิเล็กตริกพร้อมสร้างใหม่อย่างรวดเร็ว ซึ่งโพรพิลีนถือเป็นวัสดุที่ดีที่สุดในแง่ของการซ่อมแซมตัวเอง ปริมาณออกซิเจนที่พื้นผิวของโพลีโพรพิลีนสูงจะเผาไหม้ (ล้าง) วัสดุอิเล็กโทรดรอบ ๆ บริเวณเกิดความผิดพร่อง เมื่อล้างความผิดพร่องแล้ว จะมีการสูญเสียความจุเล็กน้อย และคุณสมบัติทางไฟฟ้าอื่น ๆ ของตัวเก็บประจุจะกลับคืนสู่ค่าปกติ นอกจากการใช้ฟิล์มโพลีโพรพิลีนแล้ว วัสดุเคลือบโลหะและความหนาเป็นปัจจัยสำคัญสำหรับการซ่อมแซมตัวเอง หากตัวเก็บประจุไม่ได้รับการออกแบบอย่างระมัดระวัง การปรับให้เหมาะสมสำหรับการซ่อมแซมตัวเองอาจทำให้ตัวเก็บประจุมีความไวต่อสภาวะแวดล้อมที่รุนแรงมากขึ้น ด้วยเหตุนี้เหล่าตัวเก็บประจุจึงได้รับประโยชน์จากการทดสอบคุณสมบัติในระดับที่สูงขึ้น เช่น THB

คุณสมบัติ THB

การทดสอบคุณสมบัติ THB มักใช้กับยานยนต์ พลังงาน และอุตสาหกรรม เพื่อวัดความน่าเชื่อถือในระยะยาวของส่วนประกอบต่างๆ โดยการทดสอบ THB ช่วยเร่งการเสื่อมสภาพของส่วนประกอบและวัดค่าพารามิเตอร์ทางไฟฟ้าหลังจากระยะเวลาที่กำหนดภายใต้เงื่อนไขไบอัส AC หรือ DC ที่ระบุ IEC 60384-14, AMD1:2016 กำหนดเกรด THB ไว้สามระดับ I (A และ B), II (A และ B) และ III (A และ B) (ตารางที่ 3) ข้อกำหนดเพื่อให้ได้เกรดสูงสุด IIIB ได้แก่ การสัมผัสกับ 85°C และ 85% RH เป็นเวลา 1,000 ชั่วโมง เพื่อให้ผ่านการทดสอบ ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มต้องมี:

• การเปลี่ยนแปลงความจุของ≤ 10%
• การเปลี่ยนแปลงปัจจัยการกระจาย (∆tan δ) ที่ ≤ 150 * 10^-4 (ที่ 1 กิโลเฮิรตซ์ (kHz) สำหรับตัวเก็บประจุที่มีพิกัด > 1 ไมโครฟารัด (µF))
• การเปลี่ยนแปลงปัจจัยการกระจาย (∆tan δ) ที่ ≤ 240 * 10^-4 (ที่ 10 kHz สำหรับตัวเก็บประจุที่มีอัตรา ≤ 1 µF)
• ความต้านทานของฉนวน ≥ 50% ของขีดจำกัดเริ่มต้นหรือขั้นต่ำ 200 เมกะโอห์ม (MΩ)

ตารางที่ 3: IEC 60384-14 ฉบับล่าสุดมีตัวเลือกสำหรับการทดสอบ THB หกแบบ (แหล่งที่มาตาราง: KEMET)

ตัวเก็บประจุขนาดเล็ก X2

เมื่อจำเป็นต้องใช้ตัวเก็บประจุ X2 นักออกแบบสามารถใช้ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มโพลีโพรพีลีนแบบเรเดียลซีรีส์ R53B ของ KEMET ได้ โดยมีค่าความจุตั้งแต่ 0.1 ถึง 22 µF ซึ่งห่อหุ้มด้วยเรซินที่ดับไฟได้เองในเคสพลาสติกขึ้นรูปที่ตรงตามข้อกำหนดการติดไฟของ UL 94 V-0 (รูปที่ 2) ตัวเก็บประจุขนาดเล็กเหล่านี้มีระยะห่างระหว่างตะกั่วตั้งแต่ 15 ถึง 37.5 มิลลิเมตร (มม.) และโดยเฉลี่ยแล้วมีปริมาตรน้อยกว่าตัวเก็บประจุมาตรฐาน X2 ถึง 60% ทำให้โซลูชันมีขนาดเล็กลงและเบาลง ตัวเก็บประจุเหล่านี้มีคุณสมบัติ AEC-Q200 และระดับ IIIB สำหรับการทดสอบ IEC 60384-14 THB

ตัวอย่างเช่นรุ่น R53BI31505000K มีพิกัดไฟฟ้ากระแสตรง 800 โวลต์ (VDC) และ 0.15 µF ±10% และรุ่น R53BI322050S0M มีพิกัด 800 VDC และ 0.22 µF ±20%

รูปที่ 2: ตัวเก็บประจุ R53B X2 หุ้มด้วยเรซินที่ดับไฟได้เองในกล่องพลาสติกขึ้นรูปที่ตรงตามข้อกำหนดการติดไฟของ UL (แหล่งที่มาภาพ: KEMET)

ตัวเก็บประจุนิรภัยคลาส X1/Y2

ตัวเก็บประจุแบบนิรภัย X1/Y2 ซีรีส์ R41B จาก KEMET มีจำหน่ายในความจุตั้งแต่ 0.0022 ถึง 1.2 µF พิกัดแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 1,500 VDC และความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ ±20% หรือ ±10% บรรจุในลักษณะเดียวกับอุปกรณ์ R53B ตัวเก็บประจุ R41B มีระยะห่างระหว่างตะกั่วตั้งแต่ 10 ถึง 37.5 มม., ปริมาตรน้อย และประสิทธิภาพ THB ระดับ IIIB ตัวเก็บประจุ R41B เช่น R41BF122050T0K (2200 พิโกฟารัด (pF) และ 1,500 VDC) มีพิกัดการทำงาน 2,000 ชั่วโมงที่อุณหภูมิ 125°C

ทั้งตัวเก็บประจุนิรภัย R53B และ R41B เหมาะสำหรับใช้ในเครื่องชาร์จ EV แบบออนบอร์ด, เครื่องแปลงพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์, VFD และการใช้งานทางอุตสาหกรรมอื่น ๆ รวมทั้งในการออกแบบเครื่องแปลงไฟที่ใช้ SiC และ GaN

ข้อกำหนดในการบัดกรี

ตัวเก็บประจุนิรภัยฟิล์มโพลีโพรพิลีนเคลือบโลหะมีความทนทานทางไฟฟ้าและสิ่งแวดล้อม และให้การปกป้องผู้ปฏิบัติงานในระดับสูง แต่จำเป็นต้องระมัดระวังเป็นพิเศษเมื่อบัดกรีเข้ากับบอร์ดพีซี โพรพิลีนมีจุดหลอมเหลวระหว่าง 160°C ถึง 170°C เมื่อใช้กับตะกั่วดีบุก (SnPb) แบบดั้งเดิมที่มีอุณหภูมิของเหลวที่ 183°C มีเทคนิคง่ายๆ ที่จะใช้สำหรับการติดตัวเก็บประจุเหล่านี้เข้ากับบอร์ดพีซีได้อย่างน่าเชื่อถือ

ข้อกำหนด RoHS และการปรับขนาดส่วนประกอบให้เล็กลงได้ทำให้การบัดกรีตัวเก็บประจุแบบฟิล์มโพลีโพรพีลีนมีความซับซ้อนมากขึ้น ข้อกำหนดนี้เรียกร้องให้ใช้โลหะผสมทองแดงดีบุกเงิน (SnAgCu) หรือทองแดงดีบุก (SnCu) อุณหภูมิการบัดกรีทั่วไปสำหรับโลหะผสมแบบใหม่คือ 217°C ถึง 221°C ทำให้เกิดความเครียดจากความร้อนที่เพิ่มขึ้นบนส่วนประกอบที่สามารถเสื่อมสภาพหรือสร้างความเสียหายอย่างถาวรได้ อุณหภูมิก่อนความร้อนและการบัดกรีด้วยคลื่นที่สูงขึ้นสามารถสร้างสภาวะความร้อนที่เสียหายสำหรับส่วนประกอบขนาดเล็ก เช่น ตัวเก็บประจุฟิล์มโพลีโพรพิลีนขนาดเล็ก KEMET แนะนำให้ผู้ใช้ใช้เส้นโค้งการบัดกรีด้วยคลื่นจาก IEC 61760-1 Edition 2 เมื่อใช้ตัวเก็บประจุนิรภัยแบบฟิล์มโพลีโพรพิลีน (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: เพื่อป้องกันความเสียหายจากความร้อนเมื่อทำการบัดกรีตัวเก็บประจุแบบฟิล์มโพลีโพรพิลีนเพื่อความปลอดภัย KEMET ขอแนะนำให้ผู้ใช้ใช้เส้นโค้งการบัดกรีแบบคลื่นจาก IEC 61760-1 Edition 2 (แหล่งที่มาภาพ: KEMET)

เมื่อต้องการบัดกรีด้วยมือ KEMET แนะนำให้ตั้งอุณหภูมิที่ปลายหัวแร้งไว้ที่ 350°C (+10°C สูงสุด) การบัดกรีด้วยมือควรจำกัดไว้ที่ 3 วินาทีหรือน้อยกว่าเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายของส่วนประกอบ

KEMET ไม่แนะนำให้ใช้การบัดกรีแบบ Reflow ทั่วไปสำหรับตัวเก็บประจุแบบฟิล์มโพลีโพรพิลีนแบบรูทะลุ นอกจากนี้ KEMET ยังแนะนำว่าไม่ควรนำตัวเก็บประจุเหล่านั้นเข้าไปในเตาอบบ่มด้วยกาวที่ใช้สำหรับติดส่วนประกอบยึดพื้นผิว ควรติดตัวเก็บประจุลงในบอร์ดพีซีหลังจากบ่มกาวสำหรับชิ้นส่วนยึดพื้นผิว หากส่วนประกอบของรูทะลุจำเป็นต้องผ่านกระบวนการบ่มด้วยกาวหรือหากจำเป็นต้องบัดกรีแบบ Reflow ให้ปรึกษาโรงงานสำหรับรายละเอียดเกี่ยวกับโปรไฟล์อุณหภูมิเตาอบที่อนุญาต

สรุป

นักออกแบบต้องมั่นใจในความปลอดภัยของทั้งอุปกรณ์และผู้ใช้ ในขณะเดียวกันก็ต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดการออกแบบที่สำคัญด้วย ตัวเก็บประจุนิรภัย X และ Y ใช้เพื่อป้องกันอุปกรณ์จาก EMI ที่มากเกินไปและปกป้องผู้ใช้จากอันตราย เมื่อใช้ตัวเก็บประจุนิรภัยฟิล์มเคลือบโลหะโพลีโพรพีลีนขนาดเล็กที่ทนทานและเชื่อถือได้จาก KEMET นักออกแบบสามารถปฏิบัติตามข้อกำหนด HTB เกรด IIIB จาก IEC 60384-14 และมีคุณสมบัติตาม AEC-Q200 ตัวเก็บประจุเหล่านี้รองรับโซลูชันขนาดกะทัดรัด น้ำหนักเบา และต้นทุนต่ำในอุตสาหกรรม ตัวแปลงพลังงาน EV และ WBG

บทความที่แนะนำ

1. วิธีทำให้โครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานมีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้มากขึ้น อีกทั้งยังช่วยลดต้นทุน
2. ควรใช้การแก้ไขตัวประกอบกำลังของเสาโทเท็มแบบไร้บริดจ์เมื่อใดและอย่างไร
3. ออกแบบการแก้ไขตัวประกอบกำลังที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นโดยใช้เซมิคอนดักเตอร์แบบช่องแถบพลังงานกว้างและการควบคุมแบบดิจิตอล