Como implementar um controle EMI robusto e em miniatura para conversores de energia automotivos e industriais

Garantir a segurança tanto dos equipamentos quanto dos usuários é fundamental para os projetistas, e os capacitores desempenham um papel fundamental. Outros aspectos críticos são o tamanho do componente, peso e confiabilidade em sistemas como carregadores de veículos elétricos (EV), filtros de interferência eletromagnética (EMI) em inversor de frequência variável (VFDs), excitadores de LED e aplicações de alta densidade energética, como fontes de alimentação capacitivas e conversores de energia.

Um desafio comum em todas essas aplicações é obter capacitores de segurança compactos e robustos de alta tensão X1 e X2 para linha-linha, e capacitores Y2 para filtragem EMI linha-terra que sejam classificados para temperatura/humidade/polarização (THB) Grau IIIB para operação de -40 °C a +125 °C e que atendem às exigências da comissão eletrotécnica internacional (IEC) 60384-14 e do conselho de eletrônica automotiva (AEC) Q200.

Para atender a esses requisitos, os projetistas podem utilizar capacitores de segurança de supressão EMI X1, X2, e Y2 de filme de polipropileno em miniatura. Eles satisfazem os requisitos da IEC 60384-14, são qualificados pela AEC-Q200 e possuem a mais alta classificação de robustez IEC para aplicações que exigem alta confiabilidade e vida útil prolongada sob condições ambientais severas. Esses capacitores miniatura auto-regenerativos são significativamente menores que os capacitores de segurança convencionais X1, X2 e Y2, permitindo uma área menor de placa de circuito impresso (placa pci), peso reduzido e custo mais baixo.

Este artigo analisa as aplicações dos circuitos para capacitores de segurança junto com os testes IEC 60384-14 e AEC-Q200 e as exigências ambientais. Em seguida, compara a construção paralela e em série para capacitores de filme de polipropileno X2 e apresenta exemplos de capacitores miniatura adequados para aplicações de segurança Y2, X1 e X2 da KEMET que atendem às exigências da IEC 60384-14 e são qualificados pela AEC-Q200. Também são fornecidas recomendações para a soldagem desses capacitores.

O papel dos capacitores de segurança

Os capacitores de segurança atendem a duas funções relacionadas à segurança. Eles filtram e suprimem o ruído que chega pela rede de distribuição de energia e protegem os equipamentos contra possíveis danos advindos de picos de tensão causados por raios, comutações de motores e outras fontes. Eles também protegem os usuários do equipamento contra possíveis ferimentos. Eles são classificados e especificados de acordo com ambas as funções.

O modo diferencial EMI da linha ao neutro é tratado com capacitores X. Os capacitores Y tratam da interferência de modo comum (Figura 1). Se um capacitor X falhar, há a possibilidade de incêndio. Se um capacitor Y falhar, há um risco de choque elétrico para os usuários. Os capacitores X são projetados para falhar em condições de curto-circuito para acionar um fusível ou disjuntor e desligar a tensão de alimentação para eliminar um risco de incêndio. O risco de incêndio por falhas de capacitores Y é muito baixo, pois esses capacitores são projetados para falhar em condições abertas e proteger os usuários contra choques elétricos.

Figura 1: Os capacitores X (azul) são projetados para filtrar a interferência EMI linha-linha, enquanto os capacitores Y (laranja) filtram a interferência linha-terra. (Fonte da imagem: KEMET)

Além de serem classificados como “X” ou “Y”, os capacitores de filtro EMI são especificados por sua tensão nominal de operação e pela tensão de pico de pulso que eles podem suportar. No caso dos capacitores Y, eles são ainda classificados por terem isolamento básico ou reforçado. Foram desenvolvidas inúmeras normas que se aplicam a esses capacitores, incluindo IEC 60384-14, Underwriters Laboratories (UL) 1414, UL 1283, Canadian Standards Association (CSA) C22.2 Nº 1 e CSA 384-14. A IEC 60384-14 define subclasses de capacitores X por sua tensão de pico de pulso, e de capacitores Y por suas tensões nominais e categoria de isolamento. Além disso, são definidas diferentes formas de testes de durabilidade para as diferentes classes. X1, X2, e Y2 estão entre os capacitores de segurança mais utilizados (Tabela 1):

• Subclasses de capacitores X
  • Os capacitores X3 têm uma tensão de pico de pulso inferior ou igual a 1,2 quilovolts (kV)
  • Os capacitores X2 têm uma tensão de pico de pulso inferior ou igual a 2,5 kV
  • Os capacitores X1 têm uma tensão de pico maior que 2,5 kV e inferior ou igual a 4,0 kV
• Subclasses de capacitores Y
  • Os capacitores Y4 têm uma tensão nominal inferior a 150 volts em corrente alternada (V_CA)
  • Os capacitores Y3 têm uma tensão nominal de 150 a 250 V_CA
  • Os capacitores Y2 têm uma tensão nominal de 150 a 500 V_CA e isolamento básico
  • Os capacitores Y1 têm uma tensão nominal de até 500 V_CA e isolamento duplo

Tabela 1: Exemplos de classificações da IEC 60384-14 para capacitores X por sua tensão de pico de pulso, e de capacitores Y por suas tensões nominais e tipo de isolamento. (Fonte da tabela: KEMET)

Substituições de capacitores de segurança

Como resultado de suas diferentes tensões nominais e capacidades de desempenho, apenas certos tipos de capacitores X e Y podem ser usados como substitutos para outros tipos, com tensões nominais iguais ou mais altas. Por exemplo, os capacitores Y1 têm a mesma tensão nominal com uma classificação de isolamento mais alta e podem ser usados como substitutos para os capacitores Y2. Os capacitores Y são projetados para falhar abertos e podem ser usados no lugar de capacitores X. Mas um capacitor X é projetado para falhar em curto-circuito e não pode substituir um capacitor Y (Tabela 2). Embora um capacitor X pudesse filtrar adequadamente o EMI, ele não suportaria os critérios de segurança linha-terra de um capacitor Y.

Tabela 2: Alguns capacitores Y podem ser usados no lugar de capacitores X, mas os capacitores X não podem ser substitutos para capacitores Y. (Fonte da tabela: KEMET)

Auto-regeneração

Auto-regeneração refere-se à capacidade de um capacitor metalizado de se recuperar da exposição a um curto-circuito momentâneo devido à ruptura dielétrica e se regenerar rapidamente. O polipropileno é considerado o melhor material em termos de auto-regeneração. O alto teor de oxigênio superficial do polipropileno queima (limpa) o material do eletrodo ao redor da área da falha. Uma vez que a falha é eliminada, há uma perda insignificante da capacitância, mas as outras propriedades elétricas do capacitor são restauradas aos valores nominais. Além do uso do filme de polipropileno, o material de metalização e sua espessura são fatores importantes para a auto-regeneração. Se os capacitores não forem cuidadosamente projetados, a otimização para auto-regeneração pode torná-los mais suscetíveis a condições ambientais extremas. Assim, eles se beneficiam de níveis mais elevados de testes de qualificação, como o THB.

Qualificação THB

Os testes de qualificação THB são comumente usados para aplicações automotivas, de energia e industriais para medir a confiabilidade a longo prazo dos componentes. O teste THB acelera a degradação de componentes e mede parâmetros elétricos após um período definido sob condições de polarização CA ou CC especificas. As IEC 60384-14 e AMD1:2016 definem três graus THB: I (A e B), II (A e B), e III (A e B) (Tabela 3). Os requisitos para atender a classe mais alta, IIIB, incluem exposição a 85 °C e UR de 85% por 1.000 horas. Para passar no teste, um capacitor de filme deve demonstrar:

• Mudança de capacitância ≤ 10%
• Alteração do fator de dissipação (∆tan δ) de ≤ 150 * 10^-4 (a 1 quilohertz (kHz) para capacitores classificados como > 1 microfarad (µF))
• Alteração do fator de dissipação (∆tan δ) de ≤ 240 * 10^-4 (a 10 kHz para capacitores classificados como ≤ 1 µF)
• Resistência de isolamento ≥ 50% do limite inicial ou um mínimo de 200 megaohms (MΩ)

Tabela 3: A última edição da IEC 60384-14 inclui seis opções para testes THB. (Fonte da tabela: KEMET)

Capacitores X2 miniatura

Quando a necessidade é de um capacitor X2, os projetistas podem recorrer à série R53B de capacitores radiais de filme de polipropileno da KEMET, que inclui valores de capacitância de 0,1 a 22 µF e que são encapsulados com resina auto-extinguível em uma caixa plástica moldada que atende aos requisitos de inflamabilidade da UL 94 V-0 (Figura 2). Esses capacitores miniatura têm espaçamentos dos terminais de 15 a 37,5 milímetros (mm), e em média têm 60% menos volume que os capacitores X2 padrão, permitindo soluções menores e mais leves. Esses capacitores têm qualificação AEC-Q200 e uma classificação Classe IIIB para testes THB IEC 60384-14.

Por exemplo, o modelo R53BI31505000K é classificado para 800 volts de corrente contínua (VCC) e 0,15 µF ±10%, e o modelo R53BI322050S0M é classificado para 800 VCC e 0,22 µF ±20%.

Figura 2: Os capacitores R53B X2 são encapsulados com resina auto-extinguível em uma caixa plástica moldada que atende aos requisitos de inflamabilidade da UL. (Fonte da imagem: KEMET)

Capacitores de segurança classe X1/Y2

A série R41B de capacitores de segurança X1/Y2 da KEMET está disponível com capacitâncias de 0,0022 a 1,2 µF, tensão nominal de até 1.500 VCC e tolerâncias de ±20% ou ±10%. Com invólucro semelhante aos dispositivos R53B, os capacitores R41B têm espaçamentos de terminais de 10 a 37,5 mm, pequeno volume e desempenho THB grau IIIB. Os capacitores R41B, como os R41BF122050T0K (2.200 picofarads (pF) e 1.500 VCC) são classificados para 2.000 horas de operação a 125 °C.

Tanto os capacitores de segurança R53B quanto os R41B são adequados para uso em carregadores embarcados para EV, conversores de energia eólica e solar, VFDs, outras aplicações industriais, e em projetos de conversores de energia baseados em SiC e GaN.

Requisitos de soldagem

Os capacitores de segurança de filme de polipropileno metalizado são robustos elétrica e ambientalmente e oferecem altos níveis de proteção ao operador, mas requerem atenção especial ao serem soldados a uma placa pci. O polipropileno tem um ponto de fusão entre 160 °C e 170 °C. Quando usado com soldas tradicionais de chumbo-estanho (SnPb) que têm uma temperatura de fusão de 183 °C, há técnicas simples de usar para fixar esses capacitores de forma confiável a uma placa pci.

A diretiva RoHS e a miniaturização de componentes se combinaram e tornaram mais complexa a soldagem de capacitores de filme de polipropileno. A diretiva exige o uso de estanho-cobre-prata (SnAgCu) ou ligas de cobre-estanho (SnCu). As temperaturas comuns de soldagem para as novas ligas são de 217°C a 221°C, causando maior estresse térmico nos componentes, o que pode degradá-los ou danificá-los permanentemente. Temperaturas mais altas de pré-aquecimento e soldagem por ondas podem criar condições térmicas prejudiciais para componentes pequenos como capacitores de filme de polipropileno em miniatura. A KEMET recomenda que os usuários implementem a curva de soldagem por onda da IEC 61760-1 Edição 2 ao utilizar capacitores de segurança de filme de polipropileno (Figura 3).

Figura 3: Para evitar danos térmicos ao soldar capacitores de segurança de filme de polipropileno, a KEMET recomenda que os usuários implementem a curva de soldagem por onda da IEC 61760-1 Edição 2. (Fonte da imagem: KEMET)

Quando uma solda manual é necessária, a KEMET recomenda que a temperatura na ponta do ferro de solda seja ajustada para 350 °C (+10 °C no máximo). A soldagem manual deve ser limitada a 3 segundos ou menos para evitar danos aos componentes.

A soldagem típica de refluxo não é recomendada para capacitores de filme de polipropileno de furo passante. A KEMET também aconselha que esses capacitores não devem ser passados por um forno de cura adesiva utilizado para a fixação de componentes de montagem superficial. Os capacitores devem ser adicionados à placa pci após a cura do adesivo para as peças de montagem de superfície. Se for necessário que os componentes de furo passante passem por um processo de cura adesiva ou se for necessária uma solda de refluxo, consulte a fábrica para obter detalhes sobre o perfil de temperatura admissível do forno.

Conclusão

Os projetistas precisam garantir tanto a segurança do equipamento quanto a segurança do usuário, ao mesmo tempo em que atendem aos principais requisitos de projeto. Os capacitores de segurança X e Y são usados para proteger os equipamentos contra o excesso de EMI e os usuários contra danos. Usando capacitores de segurança de filme metalizado de polipropileno miniaturizado robustos e confiáveis da KEMET, os projetistas podem atender aos requisitos HTB da IEC 60384-14 grau IIIB e qualificar-se segundo a AEC-Q200. Esses capacitores suportam soluções compactas, leves e de baixo custo em uma gama de aplicações industriais, EV e de conversores de potência WBG.

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