כיצד לבחור וליישם קבלים כדי להבטיח מטעני EV יעילים, אמינים וברי קיימא

מטענים עבור רכבים חשמליים (EV) מגיעים ברמות מתח והספק שונות, אך כולם מסתמכים על קבלים לביצוע פונקציות כמו סינון כניסת DC, חיבורי DC Link‏, סינון הרמוניות AC, סינון יציאת DC, ובתכנים מסוימים סופר-קבלים משמשים בשילוב עם אחסון אנרגיית סוללות וממירים סולאריים. מכיוון שמטעני EV ממוקמים לעתים בחוץ או בסביבות קשות אחרות, המתכננים מאותגרים לקבוע תחילה את פרופיל ביצועי הקבל ולאחר מכן לבחור את סוג הקבל המתאים כדי לענות על מאפייני אמינות תובעניים.

המתכננים צריכים להבטיח שהקבל הוא חסון פיזית עם דירוגי טמפרטורות פעולה רחבים ומשכי חיים ארוכים. הקבלים צריכים להיות קומפקטיים ומסוגלים להתמודד עם זרמי אדווה גדולים מבלי להתחמם יתר על המידה או לסבול ירידה בביצועים, והם צריכים לעמוד בדרישות החשמליות והמכניות של AEC-Q200, כמו גם בדרישות הביצועים IEC 61071 של הוועדה האלקטרו-טכנית הבינלאומית (IEC‏) , וחלקם צריכים לעמוד בתקן ANSI/IEEE 18.

כדי לענות על הצרכים המגוונים של יישומי מעגלים אלה, המתכננים יכולים לפנות למגוון של טכנולוגיות קבלים כמו קבלי פילם להספק, קבלי אלקטרוליט אלומיניום וסופר-קבלים, כולל תכנים עם השראות נמוכה, קבלים עם דירוג זרם אדווה גבוה, טמפרטורות פעולה גבוהות, יכולות ריפוי-עצמי, הרשאות AEC-Q200 העומדות בתקן IEC 61071, וסופר-קבלים עם התנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR‏) נמוכה.

מאמר זה מגדיר את רמות הטעינה השונות וסוקר יישומי מעגלים עבור קבלים בממירי הספק סולאריים על בסיס רמות אלו. לאחר מכן הוא מציג דוגמאות של סינון כניסה, DC Link‏ פילם להספק, סינון הרמוניות AC, קבלי סינון יציאה וסופר-קבלים של Cornell Dubilier Electronics המתאימים עבור מגוון של תכנים של מטעני EV, יחד עם אפשרויות מארז לשילוב קבלים אלה במעגלים מודפסים (לוחות PCB‏), הצמדתם לפסי אפיק, או חיבורם ישירות למודולי טרנזיסטור ביפולרי שער מבודד (IGBT) כדי להבטיח תכן מוצלח.

רמות ודרישות טעינת EV‏

ישנן שלוש רמות טעינת EV: טעינה ברמה 1 למגורים מספקת 120 וולט של זרם חילופין (_AC‏V‏); רמה 2 טעינה למגורים וציבורית מספקת מתח _AC‏V‏ 208/240 וולט; ומטענים מסחריים וציבוריים ברמה 3 המספקים הספק זרם ישר (_DC‏V‏) של 400 עד 900 וולט לטעינה מהירה DC ולסופר-טעינה. כמה מטעני רמה 1 ורמה 2 מבוססים על ממירים סולאריים ואחסון אנרגיית סוללה.

מטענים סולאריים יותר ויותר נפוצים ברמה 1 ורמה 2 כוללים ממיר זרם ישר לזרם ישר (DC-DC) ומהפך DC לזרם חילופין (DC-AC). הם זקוקים למגוון של קבלים עם ביצועים גבוהים שתוכננו לשימוש בתנאים חשמליים קשים העומדים בתקני AEC-Q200 ו-IEC 61071, כולל הסוגים המוצגים באיור 1:

• קבלי מסנן כניסת DC‏ ו-DC Link‏: מטענים אלה זקוקים למסנן כניסת DC עם השראות נמוכה וקבלי DC Link‏ שעברו אופטימיזציה עבור יישומים בהספק בינוני. המטענים יכולים להפיק תועלת משימוש בקבלים עם ערכים של עד 1 פאראד (F‏) או יותר, והתנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR) נמוכה כדי למזער את החימום הפנימי.
• קבלי מסנן יציאת AC: ממירי הספק ממותגים מבוססי-IGBT יכולים לייצר תוכן הרמוני ועיוותים הרמוניים כוללים (THD) גבוהים שיש לסנן באמצעות קבלי מסנן יציאה AC. אם הם אינם מסוננים כראוי, ההרמוניות עלולות לעוות את צורת גל ה-AC של היציאה.
• סופר-קבלים: התוספת של סופר-קבלים יכולה להיות מועילה במיוחד במטענים סולאריים ברמה 1 ו-2 כדי לעזור למערכת להתאים עצמה לשינויים בבידוד כאשר עננים חוסמים את הפאנלים הסולאריים הקטנים יחסית, וכתוצאה מכך נוצר שפל ושיא בהספק היציאה. במערכות אלו היחס בין הספק שיא להספק ממוצע יכול לאתגר מערכות המבוססות על סוללה בלבד. השילוב של סופר-קבלים וסוללות יכול להניב מערכת עם צפיפות הספק גבוהה יותר.

איור 1: יש צורך במגוון של קבלים וסופר-קבלים עבור מטעני EV סולאריים. (מקור התמונה: Cornell Dubilier Electronics)

הקבלים חשובים גם בתכנון של מטעני DC מהירים ברמה 3 המשתמשים בהמרת הספק AC-DC. בדומה למטענים ברמה 1 ורמה 2, מטעני DC‏ מהירים זקוקים לקבלי DC Link‏. קבלי DC Link‏ במטעני DC‏ מהירים הם התקני הספק גבוה יותר ובדרך כלל עם דירוג מתח גבוה יותר. בנוסף, מטעני רמה 3 זקוקים לקבלי מסנן כניסת AC וקבלי מסנן יציאת DC (איור 2):

• קבלי מסנן כניסת AC‏: כדי לתמוך ברמות הספק גבוהות יותר, קבלים אלה ארוזים לרוב בצורה שונה בהשוואה להתקנים המתוכננים עבור טיפול בהספק נמוך יותר. לדוגמה, בעוד שלקבלי סינון עם הספק נמוך יותר במטענים ברמה 1 ו-2 יכולים להיות סיומות בהצמדה (Snap-in‏) לחיבור מהיר ללוחות מעגלים מודפסים או פינים ניתנים-להלחמה, קבלים המשמשים במטעני DC‏ מהירים ברמה 3 כוללים לרוב הדקי בורג המתחברים ישירות לפסי צבירה בהספק גבוה. קבלי כניסה עבור מטעני רמה 3 עשויים להידרש כדי לעמוד בתקן 18 של ANSI/IEEE.
• קבלי מסנן יציאת DC: קבלים אלה ממלאים פונקציה דומה לקבלי מסנן ההרמוניות AC במטענים סולאריים ברמה 1 ורמה 2. הם סופגים טרנזיינטים ומסננים את זרמי ההרמוניות שנוצרים על ידי דרגת המיתוג DC-DC IGBT של המטען, ומחליקים את מתח היציאה. קבלים אלה צריכים לשלב ESR נמוך עם יכולת זרם אדווה גבוה.

איור 2: מטעני DC רמה 3 מוזני-רשת-החשמל דורשים רכיבים שיכולים להתמודד עם זרמים ומתחים גבוהים. (מקור התמונה: Cornell Dubilier Electronics)

קבלים למטעני PV EV רמה 1 ורמה 2

סינון כניסת DC‏: Cornell Dubilier מציעה למתכננים מספר אפשרויות של קבלי אלקטרוליט אלומיניום עבור סינון כניסת DC במטעני EV רמה 1 ורמה 2, כולל קבלי הדק בורג DCMC‏, וקבלים בהצמדה (Snap-in‏) 380LX/382LX‏ 85°C+ ו-381LX/383LX‏ 105°C‏ (איור 3‏). קבלי DCMC נעים בין µF‏ 110 עד F‏ 2.7, מתחים של עד 550 וולט, תחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏40‏- עד 85°C+,והם יכולים לטפל ברמות גבוהות של זרם אדווה. לקבלים מסוג 380LX יש אורך חיי עומס של 3,000 שעות (hr) בעומס מלא ב-85°C+, בעוד שלקבלים מסוג 381XL יש חיי עומס של 3,000 שעות בעומס מלא ב-105°C‏. הקבלים 380LX/382LX ו-381LX/383LX זמינים בסגנונות 2, 4 ו-5 פינים כדי לתמוך בהרכבה מאובטחת ומדויקת ללוחות מעגלים מודפסים.

איור 3: ל-381LX ולקבלים הנלווים יש חיבורי לוחות מעגלים מודפסים בהצמדה (Snap-in‏). (מקור התמונה: Cornell Dubilier Electronics)

חיבורי DC Link‏: עבור חיבורי DC Link‏ המתכננים יכולים לבחור מתוך אלקטרוליטיקת אלומיניום מסוג 550C‏, כגון קבלי פילם מצופה מתכת סדרות 550C562T400DP2B, וסדרת 947D‏, כגון 947D601K901DCRSN. לסדרת 550C יש חיי פעולה של למעלה מ-100,000 שעות ביישומים טיפוסיים ועד 20,000 שעות בפעולה ב-85°C‏+. לקבלי 550C יש ESR הנמוך עד כדי 7 מילי-אוהם (mΩ) ולהם הדקי בורג עבור חיבור ללוחות מעגלים מודפסים או לפס צבירה, והם יכולים לטפל בזרמי אדווה גבוהים.

סדרת 947D משלבת קיבוליות גבוהה ויכולת זרם אדווה גבוהה ביותר הדרושה עבור תכני מהפכים. קבלים אלה זמינים עם דירוגי מתח בין _DC‏V‏ 900 עד V‏ 1,300‏. הם מדורגים ל-7,000 שעות פעולה ב-85°C+ ותוחלת חיים של 350,000 שעות בטמפרטורת ליבה של 60°C+ ומתח בדירוג מלא.

סינון הרמוניות יציאת AC‏: כדי לספק סינון הרמוניות יציאת AC בסביבות קשות, המתכננים יכולים לפנות לקבלי מסננים AC סדרת ALH‏ מסוג מורשה AEC-Q200‏. בהשוואה לקבלים סטנדרטיים, לקבלים אלו יש אורך חיים ארוך יותר ב-50% על בסיס בדיקות טמפרטורה-לחות-ממתח (THB‏) 85/85 מואצות. יש להם דירוגי זרם שורש-ממוצע-הריבועים (RMS) גבוהים ההופכים אותם למתאימים לטיפול בהרמוניות מסדר גבוה יותר במהפכים מבוססי IGBT בתדר גבוה. תחומי הקיבוליות הם בין 0.22 ל-50 מיקרו-פאראד (µF) ב-_AC‏V‏ 160 עד V‏ 450‏, 50/60 הרץ (Hz‏). קבלי פילם פוליפרופילן עם ריפוי-עצמי אלו מגיעים במארז הרכבת-לוח חסון (איור 4‏) ויש להם תחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏40‏- עד C‏°‏105‏+. לקבלי סדרת ALH יש תוחלת חיים של 100,000 שעות במתח נומינלי וטמפרטורת נקודה חמה של 70°C‏+.

איור 4: קבלי מסנן AC סדרת ALH מספקים סינון יציאת הרמוניות AC בסביבות קשות, יש להם ריפוי-עצמי והם מתוכננים עבור הרכבת חור-עובר על לוחות מעגלים מודפסים. (מקור התמונה: Cornell Dubilier Electronics)

סופר-קבלים: עבור תכנים הזקוקים לפרצי הספק רגעיים שהסופר-קבלים מסוגלים לספק, Cornell Dubilier מציעה את סדרת DGH וסדרת DSF. סדרת DGH כוללת 21 צירופים שונים של ערכים/מתח, עם קיבוליות בתחום של F‏ 0.5 עד F‏ 600, ועם דירוגי מתח עבודה DC‏ בין 2.7 ל-5.5 וולט (_DC‏ WV‏). הסופר-קבלים DSF‏ מציעים _DC‏WW‏ 3.0 גבוה יותר עבור רכיב יחיד ו-_DC‏WW‏ 6.0 עבור התקן כפול (איור 5‏). מפרט מתח גבוה יותר זה מביא לצפיפות אנרגיה הגבוהה ב-24%. סדרת DSF כוללת 17 צירופים שונים של ערך/מתח, עם קיבוליות בתחום של F‏ 1.5 עד F‏ 600‏. שתי הסדרות מדורגות ל-500,000 מחזורים. הן זמינות עם מבחר של מוליכי חור-עובר או מוליכים נצמדים לשילוב על לוחות מעגלים מודפסים.

איור 5: הסופר-קבלים DSF זמינים כהתקנים כפולים ויחידים. (מקור התמונה: Cornell Dubilier Electronics)

קבלים עבור מטעני רמה 3

סינון הרמוניות וכניסת AC: עבור רמות ההספק הגבוהות הנתמכות על ידי מטעני DC רמה 3, המתכננים יכולים לפנות לסדרת PFCH של קבלים מהסדרה התלת-פאזית, כגון ה-PFCHX48D20S108T, המדורגת עבור µF‏ 76.8 ו-_AC‏V‏ 480‏ והמתוכננת עבור סינון הרמוניות כניסת AC. קבלים אלו מורכבים משלושה ליפופי פוליפרופילן מצופי מתכת עם ריפוי-עצמי המחוברים בתצורת דלתא וסגורים במארז אלומיניום צילינדרי. יש להם דירוג אורך חיים של 60,000 שעות עם שיעור הישרדות של 94% ודירוג תקלות-בזמן (FIT) של ≤300‏ X‏ ^9‏10‏ שעות רכיב. הם כוללים מפסק לחץ המנתק את כל שלושת הפאזות במקרה של סוף-חיי-מוצר או עומס-יתר של הקבל. הם עומדים בתקן ANSI/IEEE 18 ויש להם דירוג זרם קצר מקסימלי של 10 קילו-אמפר (kA) בהתאם ל-UL 810‏.

חיבורי DC Link‏: מבחר קבלי חיבורי DC Link‏ כולל את קבלי BLH DC Link‏ המתוכננים עבור הרכבה על לוחות מעגלים מודפסים ונבדקים במשך 1,500 שעות בלחות יחסית 85°C/85% תחת המתח הנומינלי, וסדרת 474, כגון קבל פילם _{474PMB122KSP2‏} 1.2 קילו-וולט (DC‏kV‏), µF‏ 0.47‏, המתוכנן עבור הרכבה ישירות על מודולי IGBT‏ כדי לספק חיבורי DC Link‏ וסינון.

קבלי BLH מדורגים לפעולה ב-C‏°‏40‏- עד C‏°‏105‏+ כשהמתח הנומינלי מופחת מעל 85°C+ ב-1.35% לכל C‏°‏, והם עומדים בדרישות IEC 61071 ו-AEC-Q200. קבלי סדרת 474 כגון 474PMB122KSP2 מדורגים לפעולה ב-C‏°‏40‏- עד C‏°‏100‏+, כאשר מתח ה-DC יורד ב-1.5% ומתח ה-AC ירד ב-2.5% לכל C‏°‏ מעל 85°C‏+.

סינון יציאת DC‏: סדרת 944U של קבלי פילם לזרם גבוה כוללת התקנים המדורגים ל-_DC‏V‏ 800, 1000, 1200 ו-1400, עם דירוגי קיבוליות מ- µF‏ 33 עד µF‏ 220 ודירוג יזרם RMS‏ של עד A‏ 75‏ ב-55°C‏+. יכולת האדווה הגבוהה היא תוצאה של המבנה הפנימי עם השראות נמוכה של קבלי פוליפרופילן עם ציפוי מתכת אלו. הם ארוזים במארז מעכב בעירה UL94V0‏ בעל פרופיל נמוך בקוטר 84.5 מילימטרים (מ"מ), עם אוגנים להרכבה בבסיס והדקי יתד עם תבריג M8 (איור 6). בהתאם לדירוג, גובה המארז הוא 40 מ"מ, 51 מ"מ או 64 מ"מ.

איור 6‏: חיבורי בורג של קבלי פילם 944U‏ יכולים לשמש עבור חיבורים ללוחות מעגלים מודפסים או לפסי צבירה. (מקור התמונה: Cornell Dubilier Electronics)

סיכום

כפי שהוצג, מטעני EV דורשים מגוון רחב של סוגי קבלים כדי להבטיח פעולה אמינה ויעילה. Cornell Dubilier מציעה מבחר רחב של סוגי קבלים וסגנונות הרכבה כדי לתמוך בתכנון ובבנייה של מטענים עם ביצועים גבוהים עבור יישומים ברמה 1, 2 ו-3.