Cómo implantar un control EMI (interferencia electromagnética) robusto y en miniatura para convertidores de potencia industriales y de automoción

Garantizar la seguridad tanto de los equipos como de los usuarios es fundamental para los diseñadores, y los condensadores desempeñan un papel clave. También son críticos el tamaño, el peso y la fiabilidad de los componentes en sistemas como cargadores de vehículos eléctricos (VE), filtros de interferencia electromagnética (EMI) en variadores de frecuencia (VFD), controladores LED y aplicaciones de alta densidad energética como fuentes de alimentación capacitivas y convertidores de potencia.

Un reto común en todas estas aplicaciones es la búsqueda de condensadores de seguridad X1 y X2 compactos y robustos de alto voltaje para el filtrado EMI de línea a línea, y condensadores Y2 para el filtrado EMI de línea a tierra, clasificados para el grado IIIB de temperatura, humedad y polarización (THB) para un funcionamiento de -40 °C a +125 °C, y que cumplan los requisitos de la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) 60384-14 y del Consejo de Electrónica del Automóvil (AEC) Q200.

Para cumplir estos requisitos, los diseñadores pueden utilizar condensadores de película de polipropileno en miniatura X1, X2 e Y2 de seguridad para supresión de EMI (interferencia electromagnética). Cumplen los requisitos de la norma IEC 60384-14, tienen la certificación AEC-Q200 y la máxima clasificación de resistencia de la IEC para aplicaciones que requieren alta fiabilidad y una vida útil prolongada en condiciones ambientales adversas. Estos condensadores de autorreparación en miniatura son significativamente más pequeños que los condensadores de seguridad X1, X2 e Y2 convencionales, lo que permite reducir la superficie de la placa de circuito impreso (PC), el peso y el costo.

En este artículo se revisan las aplicaciones de los circuitos para condensadores de seguridad junto con los requisitos ambientales y de prueba de las normas IEC 60384-14 y AEC-Q200. A continuación, compara la construcción en serie y en paralelo de los condensadores de película de polipropileno X2 y presenta ejemplos de condensadores en miniatura de KEMET adecuados para aplicaciones de seguridad Y2, X1 y X2 que cumplen los requisitos de la norma IEC 60384-14 y están homologados por AEC-Q200. También se ofrecen recomendaciones para soldar estos condensadores.

El papel de los condensadores de seguridad

Los condensadores de seguridad cumplen dos funciones relacionadas con la seguridad. Filtran y suprimen el ruido que llega a la red de distribución de energía y protegen los equipos contra posibles daños causados por picos de voltaje provocados por rayos, conmutación de motores y otras fuentes. También protegen a los usuarios del equipo de posibles lesiones. Se clasifican y especifican según ambas funciones.

La EMI (interferencia electromagnética) en modo diferencial de línea a neutro se gestiona mediante condensadores X. Los condensadores Y gestionan las interferencias en modo común (Figura 1). Si falla un condensador X, existe la posibilidad de incendio. Si falla un condensador Y, existe riesgo de descarga eléctrica para los usuarios. Los condensadores X están diseñados para fallar en caso de cortocircuito y activar un fusible o un disyuntor y cortar la tensión de alimentación para eliminar el riesgo de incendio. El riesgo de incendio por fallos del condensador Y es muy bajo, ya que estos condensadores están diseñados para fallar en estado abierto y proteger a los usuarios de descargas eléctricas.

Figura 1: Los condensadores X (azules) están diseñados para filtrar la EMI (interferencia electromagnética) de línea a línea, mientras que los condensadores Y (naranjas) filtran la interferencia de línea a tierra. (Fuente de la imagen: KEMET)

Además de clasificarse como "X" o "Y", los condensadores de filtro EMI se especifican por su tensión nominal de funcionamiento y por el pico de tensión de impulso que pueden soportar. En el caso de los condensadores Y, se clasifican además según tengan aislamiento básico o reforzado. Se han desarrollado numerosas normas aplicables a estos condensadores, entre las que se incluyen IEC 60384-14, Underwriters Laboratories (UL) 1414, UL 1283, Canadian standards association (CSA) C22.2 No.1, y CSA 384-14. La CEI 60384-14 define las subclases de condensadores X por su tensión de impulso de pico y los condensadores Y por sus tensiones nominales y categoría de aislamiento. Además, se definen diferentes formas de pruebas de resistencia para las distintas clases. X1, X2 e Y2 se encuentran entre los condensadores de seguridad más utilizados (Tabla 1):

• Subclases de condensadores X
  • Los condensadores X3 tienen un valor nominal de impulsos de tensión de pico inferior o igual a 1,2 kilovoltios (kV).
  • Los condensadores X2 tienen una tensión de impulso de pico inferior o igual a 2.5 kV.
  • Los condensadores X1 tienen un valor nominal de impulso de tensión de pico superior a 2.5 e inferior o igual a 4.0 kV.
• Subclases de condensadores Y
  • Los condensadores Y4 tienen un voltaje nominal inferior a 150 voltios de corriente alterna (_VCA).
  • Los condensadores Y3 tienen una tensión nominal de 150 a 250 _VCA.
  • Los condensadores Y2 tienen una tensión nominal de 150 a 500 _VCA y un aislamiento básico.
  • Los condensadores Y1 tienen una tensión nominal de hasta 500 _VCA y doble aislamiento.

Tabla 1: Ejemplos de clasificaciones IEC 60384-14 para condensadores X por su tensión de impulso de pico y condensadores Y por su tensión nominal y tipo de aislamiento. (Fuente de la tabla: KEMET)

Sustitución de condensadores de seguridad

Como resultado de sus diferentes voltajes nominales y diferentes capacidades de rendimiento, solo ciertos tipos de condensadores X e Y pueden utilizarse como sustitutos de otros tipos con los mismos o mayores voltajes nominales. Por ejemplo, los condensadores Y1 tienen el mismo voltaje nominal con un mayor voltaje de aislamiento y pueden utilizarse como sustitutos de los condensadores Y2. Los condensadores Y están diseñados para fallar abiertos y pueden utilizarse en lugar de los condensadores X. Pero un condensador X está diseñado para fallar en cortocircuito y no puede sustituir a un condensador Y (Tabla 2). Aunque un condensador X podría filtrar adecuadamente la EMI (interferencia electromagnética), no cumpliría los criterios de seguridad de línea a tierra de un condensador Y.

Tabla 2: Algunos condensadores Y pueden utilizarse para condensadores X, pero los condensadores X no pueden sustituirse por condensadores Y. (Fuente de la tabla: KEMET)

Autorreparación

La autorreparación se refiere a la capacidad de un condensador metalizado para recuperarse de la exposición a un cortocircuito momentáneo debido a una ruptura dieléctrica y regenerarse rápidamente. El polipropileno se considera el mejor material en términos de autorreparación. El alto contenido de oxígeno superficial del polipropileno quema (limpia) el material del electrodo alrededor de la zona del fallo. Una vez eliminado el fallo, se produce una pérdida insignificante de capacitancia y las demás propiedades eléctricas del condensador recuperan sus valores nominales. Además del uso de película de polipropileno, el material de metalización y su grosor son factores importantes para la autorreparación. Si los condensadores no se diseñan cuidadosamente, la optimización para la autorreparación puede hacerlos más susceptibles a condiciones ambientales extremas. Como tales, se benefician de niveles más altos de pruebas de cualificación, como THB.

Cualificación THB

Los ensayos de cualificación THB se utilizan habitualmente en aplicaciones industriales, energéticas y de automoción para evaluar la fiabilidad a largo plazo de los componentes. Las pruebas THB aceleran la degradación de los componentes y miden los parámetros eléctricos tras un periodo definido en condiciones de polarización de CA o CC especificadas. La norma IEC 60384-14, AMD1:2016, define tres grados THB I (A y B), II (A y B) y III (A y B) (Tabla 3). Los requisitos para alcanzar el grado más alto, IIIB, incluyen la exposición a 85 °C y 85% HR durante 1000 horas. Para superar el TEST, un capacitor de película debe demostrar:

• Cambio de capacitancia de ≤ 10%.
• Cambio del factor de disipación (∆tan δ) de ≤ 150 * ^10-4 (a 1 kilohercio (kHz) para condensadores con capacidad nominal de > 1 microfaradio (µF)).
• Cambio del factor de disipación (∆tan δ) de ≤ 240 * ^10-4 (a 10 kHz para condensadores con valor nominal de ≤ 1 µF).
• Resistencia de aislamiento ≥ 50% del límite inicial o un mínimo de 200 megaohmios (MΩ)

Tabla 3: La última edición de la norma IEC 60384-14 incluye seis opciones para las pruebas de THB. (Fuente de la tabla: KEMET)

Condensadores miniatura X2

Cuando se necesita un condensador X2, los diseñadores pueden recurrir a la serie R53B de KEMET de condensadores radiales de película de polipropileno que incluye valores de capacitancia de 0,1 a 22 µF, y que están encapsulados con resina autoextinguible en una carcasa de plástico moldeado que cumple los requisitos de inflamabilidad de UL 94 V-0 (Figura 2). Estos condensadores en miniatura tienen separaciones entre terminales de 15 a 37.5 milímetros (mm) y, de media, tienen un 60% menos de volumen que los condensadores X2 estándar, lo que permite soluciones más pequeñas y ligeras. Estos condensadores tienen la cualificación AEC-Q200 y una clasificación de Clase IIIB para las pruebas IEC 60384-14 THB.

Por ejemplo, el modelo R53BI31505000K está clasificado para 800 voltios de corriente continua (VCC) y 0.15 µF ±10%, y el modelo R53BI322050S0M está clasificado para 800 VCC y 0.22 µF ±20%.

Figura 2: Los condensadores R53B X2 están encapsulados con resina autoextinguible en una carcasa de plástico moldeado que cumple los requisitos de inflamabilidad de UL. (Fuente de la imagen: KEMET)

Condensadores de seguridad de clase X1/Y2

La Serie R41B de condensadores de seguridad X1/Y2 de KEMET está disponible con capacitancias de 0.0022 a 1,2 µF, valores nominales de tensión de hasta 1500 VCC y tolerancias de ±20% o ±10%. Envasados de forma similar a los dispositivos R53B, los condensadores R41B tienen separaciones entre terminales de 10 a 37.5 mm, volúmenes pequeños y rendimiento THB de grado IIIB. Los condensadores R41B como el R41BF122050T0K (2200 picofaradios (pF) y 1500 VCC) tienen una vida útil de 2000 horas a 125 °C.

Tanto el condensador de seguridad R53B como el R41B son adecuados para su uso en cargadores a bordo de vehículos eléctricos, convertidores de energía eólica y solar, variadores de frecuencia y otras aplicaciones industriales, así como en diseños de convertidores de potencia basados en SiC y GaN.

Requisitos de soldadura

Los condensadores de seguridad de película de polipropileno metalizado son eléctrica y medioambientalmente resistentes y ofrecen altos niveles de protección al operario, pero requieren una atención especial cuando se sueldan a una placa de PC. El Polipropileno tiene un punto de fusión entre 160 °C y 170 °C. Cuando se utilizan con soldaduras tradicionales de estaño y plomo (SnPb) que tienen una temperatura de licuefacción de 183 °C, existen técnicas sencillas para fijar de forma fiable estos condensadores a una placa de PC.

La directiva RoHS y la miniaturización de los componentes se han combinado para hacer más compleja la soldadura de condensadores de película de polipropileno. La directiva exige el uso de aleaciones de estaño-plata-cobre (SnAgCu) o estaño-cobre (SnCu). Las temperaturas de soldadura habituales para las nuevas aleaciones son de 217 °C a 221 °C, lo que provoca un mayor estrés térmico en los componentes que puede degradarlos o dañarlos permanentemente. Las altas temperaturas de precalentamiento y soldadura por onda pueden crear condiciones térmicas perjudiciales para los componentes pequeños, como los condensadores de película de polipropileno en miniatura. KEMET recomienda que los usuarios apliquen la curva de soldadura por onda de la norma IEC 61760-1 Edición 2 cuando utilicen condensadores de seguridad de película de polipropileno (Figura 3).

Figura 3: Para evitar daños térmicos al soldar condensadores de seguridad de película de polipropileno, KEMET recomienda que los usuarios apliquen la curva de soldadura por onda de la norma IEC 61760-1 Edición 2. (Fuente de la imagen: KEMET)

Cuando se requiera soldadura manual, KEMET recomienda ajustar la temperatura de la punta del soldador a 350 °C (+10 °C como máximo). La soldadura manual debe limitarse a 3 segundos o menos para evitar daños en los componentes.

No se recomienda la soldadura de reflujo típica para los condensadores de película de polipropileno con orificio pasante. KEMET también aconseja que esos condensadores no se envíen a través de un horno de curado adhesivo utilizado para fijar componentes de montaje en superficie. Los condensadores deben añadirse a la placa de PC después de curar el adhesivo para las piezas de montaje en superficie. Si es necesario que los componentes con orificios pasantes pasen por un proceso de curado adhesivo o si se requiere soldadura de reflujo, consulte a la fábrica para obtener información detallada sobre el perfil de temperatura del horno admisible.

Conclusión:

Los diseñadores deben garantizar tanto la seguridad de los equipos como la de los usuarios, cumpliendo al mismo tiempo los principales requisitos de diseño. Los condensadores de seguridad X e Y se utilizan para proteger los equipos de una EMI (interferencia electromagnética) excesiva y proteger a los usuarios de posibles daños. Con los resistentes y fiables condensadores de seguridad miniaturizados de película metalizada de polipropileno de KEMET, los diseñadores pueden cumplir los requisitos de la norma IEC 60384-14 grado IIIB HTB y obtener la certificación AEC-Q200. Estos condensadores admiten soluciones compactas, ligeras y de bajo coste en una amplia gama de aplicaciones de convertidores de potencia industriales, para vehículos eléctricos y WBG.

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