자동차 및 산업용 전력 컨버터를 위한 견고한 미니어처 EMI 컨트롤을 구현하는 방법

장비와 사용자 모두의 안전을 보장하는 것은 설계자에게 매우 중요하며, 커패시터가 핵심적인 역할을 합니다. 전기 자동차(EV) 충전기, 가변 주파수 드라이브(VFD)의 전자파 장해(EMI) 필터, LED 구동기, 높은 에너지 밀도 응용 분야(예: 정전 용량 방식 전원 공급 장치, 전력 컨버터)와 같은 시스템에서는 부품 크기, 무게, 신뢰성도 중요합니다.

이러한 모든 응용 분야에서 공통된 과제는 -40°C ~ +125°C에서 작동하기 위한 THB(온도/습도/바이어스) 그레이드 IIIB 정격을 획득하고 국제 전자기술 위원회(IEC) 60384-14 및 자동차 전자 장치 협회(AEC) Q200의 요구 사항을 충족하는 콤팩트하고 견고한 고전압 X1 및 X2 안전 커패시터를 소싱하는 것입니다.

이러한 요구 사항을 충족하기 위해 설계자는 미니어처 폴리프로필렌 필름 X1, X2 및 Y2 EMI 억제 안전 커패시터를 사용할 수 있습니다. 이러한 커패시터는 IEC 60384-14의 요구 사항을 충족하고 AEC-Q200에 적격하며, 열악한 환경 조건에서 높은 신뢰성과 긴 수명을 요구하는 응용 분야에서 가장 높은 IEC 견고성 등급으로 분류됩니다. 이 미니어처 자기 회복 커패시터는 기존 X1, X2 및 Y2 안전 커패시터보다 훨씬 작아서 더 작은 인쇄 회로 기판(pc 기판) 영역을 지원하고, 무게가 더 가벼우며, 비용이 더 저렴합니다.

이 기사에서는 IEC 60384-14 및 AEC-Q200 테스트 및 환경 요구 사항과 함께 안전 커패시터를 위한 회로 응용 분야를 검토합니다. 그런 다음 X2 폴리프로필렌 필름 커패시터의 병렬 구조와 직렬 구조를 비교하고, Y2, X1에 적합한 미니어처 커패시터와 IEC 60384-14의 요구 사항을 충족하고 AEC-Q200에 적격한 KEMET의 X2 안전 응용 제품을 예로 들어 설명합니다. 또한 커패시터 납땜을 위한 권장 사항을 제공합니다.

안전 커패시터의 역할

안전 커패시터는 두 가지 안전 관련 기능을 제공합니다. 전력 분배 네트워크에 도달하는 잡음을 필터링하여 억제하고, 낙뢰, 모터 정류 및 기타 원인으로 인한 전압 스파이크에 따른 잠재적 손상으로부터 장비를 보호합니다. 또한 장비 사용자를 잠재적 부상으로부터 보호합니다. 안전 커패시터는 이 두 기능에 따라 분류되고 지정됩니다.

X 커패시터는 상전압 차동 모드 EMI를 처리하고, Y 커패시터는 공통 모드 전파 방해를 처리합니다(그림 1). X 커패시터가 고장나면 화재의 가능성이 있고, Y 커패시터가 고장나면 사용자가 감전될 위험이 있습니다. X 커패시터는 단락 조건에서 고장나서 퓨즈 또는 회로 차단기를 작동하고 공급 전압을 줄여서 화재 위험을 제거하도록 설계되었습니다. Y 커패시터 고장으로 인한 화재 위험은 매우 낮으므로, Y 커패시터는 열린 조건에서 고장나서 감전으로부터 사용자를 보호하도록 설계되었습니다.

그림 1: X 커패시터(파란색)는 라인 간 전파 방해로부터 EMI를 필터링하고, Y 커패시터(주황색)는 상전압 전파 방해를 필터링하도록 설계되었습니다. (이미지 출처: KEMET)

‘X’ 또는 ‘Y’ 분류 이외에 EMI 필터 커패시터는 정격 작동 전압 및 처리 가능한 피크 임펄스 전압에 의해 지정됩니다. Y 커패시터의 경우 기본 절연인지 강화 절연인지 여부에 의해서도 분류됩니다. IEC 60384-14, Underwriters Laboratories(UL) 1414, UL 1283, 캐나다 표준 협회(CSA) C22.2 No.1, CSA 384-14를 비롯하여 이러한 커패시터에 적용되는 다양한 표준이 개발되었습니다. IEC 60384-14에서는 피크 임펄스 전압을 기준으로 X 커패시터의 하위 클래스를 정의하고, 정격 전압, 절연체 종류를 기준으로 Y 커패시터의 하위 등급을 정의합니다. 또한 다양한 클래스에 대한 다양한 형태의 내구성 테스트를 정의합니다. 가장 널리 사용되는 안전 커패시터에는 X1, X2, Y2가 있습니다(표 1).

• X 커패시터 하위 클래스
  • X3 커패시터는 피크 전압 펄스 정격이 1.2kV 이하입니다.
  • X2 커패시터는 피크 전압 펄스 정격이 2.5kV 이하입니다.
  • X1 커패시터는 피크 전압 펄스 정격이 2.5kV 초과 4.0kV 이하입니다.
• Y 커패시터 하위 클래스
  • Y4 커패시터는 정격 전압이 150V_AC 미만입니다.
  • Y3 커패시터는 정격 전압이 150V_AC ~ 250VAC입니다.
  • Y2 커패시터는 정격 전압이 150V_AC ~ 500VAC이고 기본 절연을 지원합니다.
  • Y1 커패시터는 정격 전압이 500V_AC 이하이고 이중 절연을 지원합니다.

표 1: 피크 임펄스 전압에 기반하는 X 커패시터 및 정격 전압과 절연 유형에 기반하는 Y 커패시터의 IEC 60384-14 분류 예 (표 출처: KEMET)

안전 커패시터 대체품

전압 정격과 성능이 서로 다르므로 특정 유형의 X 및 Y 커패시터만 더 높은 전압 정격을 가진 다른 유형에 대한 대체품으로 사용할 수 있습니다. 예를 들어 Y1 커패시터의 전압 정격은 더 높은 절연 정격과 동일하며 Y2 커패시터에 대한 대체품으로 사용될 수 있습니다. Y 커패시터는 페일 오픈되도록 설계되었으며 X 커패시터 대신 사용될 수 있습니다. 하지만 X 커패시터는 페일 단락되도록 설계되었으므로 Y 커패시터를 대체할 수 없습니다(표 2). X 커패시터는 EMI를 적절히 필터링할 수 있지만, Y 커패시터의 상전압 안전 기준을 지원하지 않습니다.

표 2: 일부 Y 커패시터를 X 커패시터 대신 사용할 수 있지만, X 커패시터는 Y 커패시터를 대체할 수 없습니다. (표 출처: KEMET)

자기 회복

자기 회복은 금속화 커패시터가 유전체 항복으로 인한 순간적인 단락에 대한 노출로부터 복구되어 빠르게 재생되는 기능을 말합니다. 폴리프로필렌은 자기 회복의 측면에서 최고의 소재로 간주됩니다. 폴리프로필렌의 높은 표면 산소 함량은 결함 영역 주변의 전극 물질을 태워서 없앱니다(지우기). 결함이 해결되면 정전 용량 손실이 미미하고 커패시터의 다른 전기적 속성이 공칭 값으로 복원됩니다. 폴리프로필렌 필름 이외에 금속 피복 소재와 두께도 자기 회복의 중요한 요소입니다. 커패시터를 주의해서 설계하지 않을 경우 자기 회복을 위한 최적화로 인해 극한 환경 조건에서 더 취약해질 수 있습니다. 따라서 THB와 같은 더 높은 수준의 자격 테스트를 수행하는 것이 좋습니다.

THB 인증

THB 자격 테스트는 자동차, 에너지 및 산업 응용 분야에서 부품의 장기적 신뢰성을 측정하는 데 일반적으로 사용됩니다. THB 테스트에서는 부품 성능 저하를 가속화하고 지정된 AC 또는 DC 바이어스 조건에서 정의된 기간 후에 전기 파라미터를 측정합니다. IEC 60384-14, AMD1:2016은 세 가지 THB 그레이드 I(A 및 B), II(A 및 B), III(A 및 B)을 정의합니다(표 3). 최고 그레이드인 IIIB 충족 요구 사항에는 85°C 및 85% RH에 대한 1,000시간 노출이 포함됩니다. 필름 커패시터가 테스트를 통과하려면 다음을 입증해야 합니다.

• 정전 용량 변경: 10% 이하
• 열발산 상수 변경(∆tan δ): 150 * 10⁻⁴ 이하(1kHz, 1µF 초과 등급 커패시터)
• 열발산 상수 변경(∆tan δ): 240 * 10⁻⁴ 이하(10kHz, 1µF 이하 등급 커패시터)
• 절연 저항: 초기 제한의 50% 이상 또는 최소 200MΩ

표 3: 최신 버전 IEC 60384-14에는 6가지 THB 테스트 옵션이 포함되어 있습니다. (표 출처: KEMET)

미니어처 X2 커패시터

X2 커패시터가 필요한 경우 설계자는 0.1µF ~ 22µF 정전 용량 값을 포함하고, UL 94 V-0의 가연성 요구 사항을 충족하는 성형 플라스틱 케이스에 자소성 수지로 피막 형성된 KEMET의 R53B 계열 방사상 폴리프로필렌 필름 커패시터로 전환할 수 있습니다(그림 2). 이 미니어처 커패시터는 리드 간격이 15mm ~ 37.5mm이고, 평균 부피가 표준 X2 커패시터보다 60% 작아서 더 작고 가벼운 솔루션을 구축할 수 있습니다. 이 커패시터는 AEC-Q200 인증을 받고 IEC 60384-14 THB 테스트에서 클래스 IIIB 등급을 획득했습니다.

예를 들어 R53BI31505000K 모델은 정격 800VDC 및 0.15µF ±10%이고, R53BI322050S0M 모델은 정격 800VDC 및 0.22µF ±20%입니다.

그림 2: R53B X2 커패시터는 UL 가연성 요구 사항을 충족하는 성형 플라스틱 케이스 내에 자소성 수지로 피막 형성됩니다. (이미지 출처: KEMET)

클래스 X1/Y2 안전 커패시터

KEMET의 R41B 계열 X1/Y2 안전 커패시터는 0.0022µF ~ 1.2µF 정전 용량, 최대 1,500VDC 전압 정격, ±20% 또는 ±10% 허용 오차 범위로 제공됩니다. R53B 장치와 유사한 패키지로 구성된 R41B 커패시터는 리드 간격이 10mm ~ 37.5mm이고, 부피가 작으며, 그레이드 IIIB THB 성능을 지원합니다. R41BF122050T0K(2200pF 및 1,500VDC)와 같은 R41B 커패시터는 125°C에서 2,000시간 동안 작동합니다.

R53B 및 R41B 안전 커패시터는 모두 EV 기판 실장 충전기, 풍력 및 태양 에너지 전력 컨버터, VFD 및 기타 산업 응용 분야와 SiC 및 GaN 기반 전력 컨버터 설계에 사용하는 데 적합합니다.

납땜 요구 사항

금속화 폴리프로필렌 필름 안전 커패시터는 전기적 환경적으로 견고하고 높은 수준의 운영자 보호를 제공하지만, pc 기판에 납땜할 경우 특별한 주의가 필요합니다. 폴리프로필렌의 녹는점은 160°C ~ 170°C입니다. 액화 온도가 183°C인 기존 땜납(SnPb) 납땜에 사용할 경우 이 커패시터를 pc 기판에 안정적으로 부착할 수 있는 간단한 기술입니다.

RoHS 규정과 부품 소형화가 결합되어 폴리프로필렌 필름 커패시터 납땜을 더 복잡하게 만들었습니다. 이 규정에서는 은동(SnAgCu) 또는 구리 주석(SnCu) 합금을 사용하도록 요구합니다. 새로운 합금의 일반적인 납땜 온도는 217°C ~ 221°C이며, 부품에 높은 열응력을 발생하여 성능 저하 또는 영구적 손상으로 이어질 수 있습니다. 높은 예열 및 웨이브 납땜 온도로 인해 미니어처 폴리프로필렌 필름 커패시터와 같은 소형 부품에서 열손상 조건이 생성될 수 있습니다. 폴리프로필렌 필름 안전 커패시터를 사용할 경우 IEC 61760-1 2차 개정판의 웨이브 납땜 곡선을 구현하는 것이 좋습니다(그림 3).

그림 3: 폴리프로필렌 필름 안전 커패시터를 납땜할 때 열손상을 방지하기 위해 IEC 61760-1 2차 개정판의 웨이브 납땜 곡선을 구현하는 것이 좋습니다. (이미지 출처: KEMET)

수동으로 납땜해야 하는 경우 납땜 인두 팁의 온도를 350°C(+10°C 최대)로 설정하는 것이 좋습니다. 부품 손상을 방지하려면 수동 납땜을 3초 이하로 제한해야 합니다.

일반적인 리플로 납땜은 스루홀 폴리프로필렌 필름 커패시터에 권장되지 않습니다. 또한 이 커패시터는 표면 실장 부품을 부착하는 데 사용되는 접착제 경화 오븐을 통과하면 안 됩니다. 표면 실장 부품에서 접착제를 경화한 이후에 커패시터를 pc 기판에 추가해야 합니다. 스루홀 부품이 접착제 경화 공정을 통과해야 하거나 리플로 납땜이 필요한 경우 허용되는 오븐 온도 프로파일에 대한 자세한 내용은 공장에 문의하십시오.

결론

설계자는 주요 설계 요구 사항을 충족하면서 장비와 사용자 모두의 안전을 보장해야 합니다. X 및 Y 안전 커패시터는 과도한 EMI로부터 장비를 보호하고 사용자의 피해를 방지하는 데 사용됩니다. KEMET의 견고하고 안정적인 미니어처 폴리프로필렌 금속화 필름 안전 커패시터를 사용하여 설계자는 IEC 60384-14 그레이드 IIIB HTB 요구 사항을 충족하고 AEC-Q200 인증을 획득할 수 있습니다. 이 커패시터는 광범위한 산업, EV 및 WBG 전력 컨버터 응용 분야에서 콤팩트한 경량형 저비용 솔루션을 지원합니다.

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