כיצד לממש בקרת EMI זעירה, איתנה, עבור ממירי כוח תעשייתיים ורכב

הבטחת הבטיחות של ציוד כמו גם משתמשים הוא קריטי עבור מתכננים, וקבלים משחקים ‏תפקיד מפתח. כמו כן קריטי גודל רכיב, משקל ואמינות במערכות כמו מטעני כלי רכב חשמליים (EV), מסנני הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) בדוחפי מנוע תדר משתנה (VFDs), דוחפי LED ויישומי צפיפות-אנרגיה-גבוהה כגון ספקי-כוח קיבוליים וממירי כוח.

‏אתגר נפוץ בכל היישומים האלה הוא להשיג קבלי בטיחות מתח-גבוה קומפקטיים ואיתנים X1‏ ו-X2‏ עבור סינון EMI קו-לקו, וקבלי Y2 עבור סינון EMI קו-להארקה המדורגים לטמפרטורה/לחות/ממתח‏ (THB‏) Grade IIIB עבור עבודה מ-‎40°C− עד ‎125°C+ והעומדים בדרישות של international electrotechnical commission (IEC) 60384-14 ו-automotive electronics council (AEC) Q200.

כדי לעמוד בדרישות אלו, מתכננים יכולים להשתמש בקבלי בטיחות פילם פוליפרופילן זעירים לדיכוי EMI‏, X1‏, X2‏ ו-Y2. קבלים אלה עומדים בדרישות של IEC 60384-14, מוסמכים AEC-Q200‏ והם בעלי סיווג איתנות IEC הגבוה ביותר‏ עבור יישומים הדורשים אמינות גבוהה וחיי רכיב ממושכים תחת תנאי סביבה קשים. קבלי ריפוי-עצמי זעירים אלה הם קטנים יותר משמעותית מקבלי בטיחות X1‏, X2‏ ו-Y2 קונבנציונליים, מאפשרים שטח לוח מעגל מודפס קטן יותר, משקל מופחת ועלות נמוכה יותר.

מאמר זה סוקר את יישומי המעגל עבור קבלי בטיחות יחד עם בדיקות ה-IEC 60384-14 וה-AEC-Q200 ודרישות סביבתיות. אחר כך, המאמר משווה מבנה מקבילי וטורי של קבלי פילם פוליפרופילן X2‏ ומציג דוגמאות של קבלים זעירים המתאימים עבור יישומי Y2, X1 ובטיחות X2 מבית KEMET העומדים בדרישות של IEC 60384-14 והם מוסמכים AEC-Q200. ניתנות גם המלצות להלחמת קבלים אלה.

התפקיד של קבלי בטיחות

קבלי בטיחות משרתים שתי פונקציות הקשורות לבטיחות. הם מסננים ומדכאים רעש המגיע על רשת חלוקת הכוח ומגינים על‏ ציוד מפני נזק פוטנציאלי מספייקים של מתח הנגרמים על ידי ברקים, קומוטציה של מנוע ומקורות אחרים. הם גם מגינים על משתמשי‏ ציוד מפני פציעה פוטנציאלית. הם מסווגים ומוגדרים לפי שתי הפונקציות.

EMI‏ הפרשי מקו לניטרלי מטופל על ידי קבלי X. קבלי Y‏ מטפלים בהפרעות אות משותף (איור 1‏). אם קבל X‏ מתקלקל, קיימת‏ אפשרות של שריפה. אם קבל Y‏ מתקלקל, קיימת סכנה של מכת חשמל למשתמשים. קבלי X‏ מתוכננים להתקלקל בתנאי קצר חשמלי, לעורר נתיך או מפסק זרם ולכבות את מתח האספקה כדי למנוע סכנת אש. סכנת שריפה מתקלה בקבל Y‏ היא נמוכה מאוד, כיוון שקבלים אלה מתוכננים להתקלקל בתנאי נתק ומגינים על משתמשים מפני מכות חשמל.

איור 1: קבלי X‏ (כחול) מתוכננים לסנן EMI‏ מהפרעות קו-לקו, בעוד קבלי Y (כתום) מסננים הפרעות קו-להארקה. (מקור תמונה: KEMET)

נוסף לסיווגם כ-‘X‏’ או ‘Y‏’, קבלי מסנן EMI‏ מוגדרים בהתאם למתח העבודה הנקוב שלהם ועל ידי מתח מתקף שיא בו הם יכולים לטפל. במקרה של קבלי Y‏, הם מסווגים בנוסף בנתון באם הם בעלי בידוד בסיסי או מחוזק. תקנים רבים פותחו ביחס לקבלים אלה, כולל IEC 60384-14,‏ Underwriters Laboratories (UL) 1414,‏ UL 1283,‏ Canadian standards association (CSA) C22.2 No.1 ו-CSA 384-14. ה-IEC 60384-14 מגדיר תת--סוג של קבלי X‏ לפי מתח מתקף שיא שלהם וקבלי Y‏ לפי מתחים נקובים וקטגוריית בידוד שלהם. נוסף לכך, צורות שונות של בדיקות עמידות מוגדרות עבור הסוגים השונים. X1‏, X2‏ ו-Y2 הם מבין קבלי הבטיחות השימושיים ביותר (טבלה 1‏):

• תת-סוגי קבל X‏
  • קבלי X3 הם בעלי דרוג מתח מתקף‏ שיא של פחות מ- או שווה ל-1.2 קילו-וולט (kV‏‏)
  • קבלי X2 הם בעלי דרוג מתח מתקף‏ שיא של פחות מ- או שווה ל-2.5 קילו-וולט
  • קבלי X1 הם בעלי דרוג מתח מתקף‏ שיא של מעל 2.5 ופחות מ- או שווה ל-‎4.0 kV
• תת-סוגי קבל Y‏
  • קבלי Y4 הם בעלי מתח נקוב של פחות מ-150 וולט של זרם-חילופין (V_AC)
  • קבלי Y3 הם בעלי מתח נקוב מ-150 עד ‎250 V_AC‏
  • קבלי Y2 הם בעלי מתח נקוב מ-150 עד ‎500 V_AC ובידוד בסיסי‏
  • קבלי Y1 הם בעלי מתח נקוב של עד ‎500 V_AC ובידוד כפול

טבלה 1: דוגמאות של סיווגי IEC 60384-14 עבור קבלי X‏ לפי מתח מתקף שיא שלהם וקבלי Y‏ לפי מתחים נקובים וסוג בידוד שלהם. (מקור טבלה: KEMET)

תחליפי קבל בטיחות

כתוצאה מדרוגי מתח שונים ויכולות ביצוע שונות שלהם, ניתן להשתמש בסוגי קבלים X ו-Y מסוימים בלבד כתחליפים של סוגים אחרים עם דרוגי מתח זהים או גבוהים יותר. לדוגמה, קבלי Y1 הם בעלי דרוג מתח זהה עם דרוג בידוד גבוה יותר ויכולים לשמש כתחליפים של קבלי Y2. קבלי Y‏ מתוכננים להיכשל כנתק ויכולים לשמש תחליף של קבלי X. אך קבל‏ X‏ מתוכנן להיכשל כקצר ואינו יכול להחליף קבל Y (טבלה 2‏). בעוד קבל‏ X‏ יכול לסנן במידה מספקת EMI‏, הוא לא יתמוך בקריטריון בטיחות קו-להארקה של קבל Y.

טבלה 2‏: קבלי Y‏ מסוימים יכולים לשמש תחליף לקבלי X, אך קבלי X‏ אינם יכולים להחליף קבלי Y. (מקור טבלה: KEMET)

ריפוי-עצמי

ריפוי-עצמי מתייחס ליכולת של קבל‏ ממותך להתאושש מחשיפה רגעית לקצר בשל פריצה דיאלקטרית ולהתחדש במהירות. פוליפרופילן נחשב לחומר הטוב ביותר במונחים של ריפוי-עצמי. תכולת החמצן הגבוהה של משטח הפוליפרופילן שורפת (מנקה) את חומר האלקטרודה סביב אזור התקלה. לאחר גמר התקלה, ישנו אבדן קיבוליות לא משמעותי, ושאר התכונות החשמליות של הקבל חוזרות לערכים הנומינליים. בנוסף לשימוש בפילם פוליפרופילן, חומר המיתוך ועוביו הם גורמים חשובים עבור ריפוי-עצמי. אם הקבלים אינם מתוכננים בזהירות, מיטוב עבור ריפוי-עצמי יכול לעשותם לפגיעים יותר לתנאי סביבה קיצוניים. ככאלה, הם מפיקים תועלת מרמות גבוהות יותר של בדיקות הסמכה, כמו THB‏.

הסמכת THB‏

בדיקות הסמכת THB משמשות בדרך כלל עבור יישומים תעשייתיים, אנרגיה ורכב לאמדן האמינות לטווח ארוך של רכיבים. בדיקות THB‏ מאיצות דגרדציה של רכיבים ומודדות פרמטרים חשמליים לאחר תקופה מוגדרת תחת תנאי ממתח AC‏ או DC. ה-IEC 60384-14,‏ AMD1:2016, מגדיר שלוש דרגות THB‏ ‏I‏ (A‏ ו-B‏), II‏ (A‏ ו-B‏) ו-III‏ (A‏ ו-B‏) (טבלה 3‏). דרישות לעמידה בדרגה הגבוהה ביותר, IIIB, כוללות חשיפה ל-‎85°C ו-‎85% RH למשך 1,000 שעות. כדי לעבור את המבחן, קבל פילם חייב להציג:

• שינוי קיבוליות ≤ %‏10
• שינוי גורם פיזור (∆tan δ) ‏≤ ‎150 * 10⁻⁴ (ב-1 קילו-הרץ (kHz) עבור קבלים מדורגים > 1 מיקרו-פאראד (µF‏))
• שינוי גורם פיזור (∆tan δ) ‏≤ ‎240 * 10^-4 (ב-10‎ kHz עבור קבלים מדורגים ≤ 1‎ µF‏)
• התנגדות בידוד חשמלי ≥ 50% של גבול ראשוני או מינימום של 200 מגה-אוהם (MΩ‏)

טבלה 3‏: המהדורה האחרונה של IEC 60384-14 כוללת שש אפשרויות לבדיקת THB‏. (מקור טבלה: KEMET)

קבלי X2 זעירים

כשיש צורך בקבל X2‏, מתכננים יכולים לפנות אל סדרת R53B של KEMET, סדרת קבלי פילם פוליפרופילן הכוללת ערכי קיבוליות מ-‏0.1‏ עד µF‏ 22‏, שעטופים בשרף כיבוי-עצמי במארז פלסטיק יצוק העומד בדרישות דליקות של UL 94 V-0 (איור 2‏). לקבלים זעירים אלה יש מרווח בין הדקים של 15 עד 37.5 מילימטר (mm), ובממוצע נפחם קטן ב-60% משל קבלי X2 סטנדרטיים, דבר המאפשר פתרונות קטנים וקלים יותר. קבלים אלה הם בעלי הסמכת AEC-Q200‏ ודרוג IIIB עבור בדיקות IEC 60384-14 THB‏.

לדוגמה, מודל ה-R53BI31505000K מדורג ל-800 וולט זרם-ישר (VDC‏) ו-‎0.15 µF ±10%, ומודל ה-R53BI322050S0M מדורג ל-800‎ VDC‏ ו-‎0.22 µF ±20%‏.

איור 2‏: קבלי R53B X2‏ עטופים בשרף כיבוי-עצמי ונתונים במארז‏ פלסטיק יצוק העומד בדרישות דליקות UL‏. (מקור תמונה: KEMET)

קבלי בטיחות מסוגים X1/Y2‏

סדרת ה-R41B של קבלי בטיחות X1/Y2‏ מבית KEMET זמינה עם קיבוליויות מ-0.0022 עד ‎1.2 µF, דירוגי מתח של עד VDC‏ 1,500‏, וטולרנסים של ‎±20%‏ או ‎±10%. ארוזים בדומה להתקני R53B, קבלי R41B הם בעלי מרווחים בין הדקים של ‏10 עד 37.5 מ"מ, נפחים קטנים וביצועי דרגה IIIB THB‏. קבלי R41B כמו ה-R41BF122050T0K ‏(2200 פיקו-פאראד (pF) ו-VDC‏ 1,500‏) מדורגים לעבודה של 2,000 שעות ב-C‏ִ°‏125‏.

קבלי הבטיחות R53B כמו גם R41B מתאימים לשימוש במטעני EV מובנים, ממירי כוח אנרגיה סולארית ורוח, דוחפי VFD‏ ויישומים תעשייתיים אחרים, ותכני ממירי כוח מבוססים SiC‏ ו-GaN‏.

דרישות הלחמה

קבלי בטיחות פילם פוליפרופילן ממותך הם קשיחים חשמלית וסביבתית ומספקים הגנת מפעיל ברמה גבוהה, אך הם דורשים תשומת לב מיוחדת כשמולחמים ללוח מעגל מודפס. לפוליפרופילן יש נקודת התכה בין 160‎°C ו-170‎°C. כשמשתמשים בלחמי סגסוגת בדיל עופרת (SnPb) מסורתיים להם טמפרטורת התכה של ‎183°C, יש להשתמש בטכניקות פשוטות עבור חיבור אמין של קבלים אלה למעגל המודפס.

הנחיות ה-RoHS‏ ומזעור רכיב אוחדו כדי להפוך הלחמת קבלי פילם פוליפרופילן למורכבת יותר. ההנחיה קוראת לשימוש בסגסוגות בדיל כסף נחושת (SnAgCu) או בדיל נחושת (SnCu‏). טמפרטורות הלחמה מקובלות עבור הסגסוגות החדשות הן 217°C עד 221‎°C, דבר הגורם למאמצים תרמיים מוגברים על הרכיבים, שיכולים לפגוע בביצועיהם או לגרום להם לנזק בלתי הפיך. טמפרטורות טרום-חימום והלחמת גל גבוהות יותר יכולות ליצור תנאים תרמיים מזיקים עבור רכיבים קטנים כמו קבלי פילם פוליפרופילן זעירים. KEMET ממליצה שמשתמשים יישמו את עקומת הלחמת הגל מ-IEC 61760-1 Edition 2 כשמשתמשים בקבלי בטיחות פילם פוליפרופילן (איור 3‏).

איור 3: כדי למנוע נזק תרמי כשמלחימים קבלי בטיחות פילם פוליפרופילן, KEMET ממליצה שמשתמשים יישמו את עקומת הלחמת הגל מ-IEC 61760-1 Edition 2. (מקור תמונה: KEMET)

כשדרושה הלחמה ידנית, KEMET ממליצה שהטמפרטורה בחוד המלחם תהיה מכוונת ל-‎350°C‏ (לכל היותר ‎10°C+). יש להגביל הלחמה ידנית ל-3‏ שניות או פחות כדי למנוע נזק לרכיב.

הלחמת Reflow אופיינית אינה מומלצת עבור קבלי פילם פוליפרופילן לחור-עובר. KEMET גם ממליצה שקבלים אלה לא יועברו דרך‏ תנור להקשחת דבק המשמש עבור חיבור רכיבי הרכבה-משטחית. יש להוסיף את הקבלים ללוח המעגל המודפס לאחר הקשחת הדבק עבור החלקים להרכבה משטחית. אם נדרש שרכיבי חור-עובר יעברו דרך תהליך הקשחת דבק או אם דרושה הלחמת Reflow, תתיעץ עם המפעל על פרטי פרופיל טמפרטורת התנור המותרים.

מסקנה

מתכננים חייבים להבטיח בטיחות ציוד כמו גם משתמש, תוך כדי גם עמידה בדרישות תכנון חשובות. קבלי בטיחות X‏ ו-Y‏ משמשים כדי להגן על‏ ציוד מפני EMI‏‏ מופרז ולהגן על משתמשים מפני פגיעה. על ידי שימוש בקבלי בטיחות פילם פוליפרופילן ממותך ממוזערים קשיחים ואמינים מבית KEMET, מתכננים יכולים לעמוד בדרישות IEC 60384-14 דרגה IIIB HTB ולזכות בהסמכת AEC-Q200‏. קבלים אלה תומכים בפתרונות קומפקטיים, קלי משקל ועלות-נמוכה במגוון יישומי המרת כוח תעשייתיים, EV ו-WBG.

קריאה מומלצת

1. כיצד להפוך תשתיות אנרגיה ליעילות ואמינות יותר תוך הפחתת עלויות
2. מתי וכיצד להשתמש בתיקון גורם הספק Totem-Pole‏ ללא-גשר
3. תכנן תיקון גורם הספק יעיל יותר תוך שימוש במוליכים-למחצה Wide-Bandgap ‏ובקרה דיגיטלית