Condensatori a film ad alta tensione per la soppressione delle interferenze elettromagnetiche nei sistemi automotive

I sistemi elettronici di potenza impiegati nei veicoli elettrici, nelle infrastrutture di ricarica rapida e negli azionamenti industriali operano con tensioni del bus DC sempre più elevate e semiconduttori a banda proibita ampia caratterizzati da commutazioni rapide. Queste condizioni operative generano significative interferenze elettromagnetiche (EMI) di modo comune, che devono essere filtrate verso il telaio senza compromettere l'isolamento galvanico o la sicurezza degli operatori, anche in presenza di sollecitazioni termiche estreme.

TDK Corporation ha introdotto la compatta serie B3201*A5/B5/C5 di condensatori di sicurezza Y1, progettata per sopprimere i disturbi ad alta frequenza tra linea e terra nelle applicazioni di mobilità elettrica, nei convertitori di frequenza industriali e nei sistemi di accumulo di energia da fonti rinnovabili. Basati sulla tecnologia a film di polipropilene metallizzato, questi componenti offrono un'elevata resistenza dielettrica e sono progettati per tensioni nominali di 500 V in corrente alternata e fino a 1.500 V in corrente continua, in conformità ai requisiti di qualificazione AEC-Q200 Rev. E.

Autoriparazione del dielettrico e meccanismi di isolamento tra linea e terra
I condensatori di sicurezza di classe Y sono installati direttamente tra linea e terra, dove un guasto del componente può comportare un rischio diretto di scossa elettrica o la perdita della connessione di terra. Nella serie B3201, TDK utilizza un dielettrico in film di polipropilene metallizzato (MKP). In caso di scarica elettrica ad alta tensione o perforazione localizzata del dielettrico, il sottilissimo rivestimento metallico circostante il punto di guasto evapora nel giro di pochi microsecondi. Questo meccanismo di autoriparazione isola il punto di perforazione, mantenendo l'integrità dell'isolamento elettrico complessivo senza generare un cortocircuito permanente.

Gli elementi capacitivi sono alloggiati in un robusto involucro in plastica, sigillato con resina epossidica ignifuga conforme alla classificazione di infiammabilità UL 94 V-0. Questa struttura protegge l'avvolgimento interno in polipropilene dal degrado ambientale e consente alla serie di superare rigorosi test di temperatura, umidità e polarizzazione elettrica (THB) a +85 °C, con un'umidità relativa dell'85% e una tensione di 500 V in corrente alternata per 500 ore.

Specifiche tecniche e opzioni di interasse dei terminali
La serie B3201*A5/B5/C5 copre un intervallo di capacità da 0,47 nF a 33 nF ed è suddivisa in due principali formati costruttivi:

I valori nominali elettrici consentono il funzionamento continuo a 500 V in corrente alternata e 1.500 V in corrente continua con temperature ambiente fino a +110 °C. Tra +110 °C e la temperatura massima nominale di +125 °C, la tensione di esercizio deve essere ridotta linearmente dell'1,5% per ogni grado Celsius. Il tempo complessivo di funzionamento a questa temperatura elevata è limitato a un massimo di 1.000 ore.

I terminali sono costituiti da fili paralleli, adatti al montaggio su circuiti stampati con tecnologia a foro passante mediante saldatura a onda e saldatura selettiva. I componenti sono disponibili sfusi, senza nastro, oppure in confezioni con nastro e bobina o in formato ammo pack. La serie dispone di certificazioni internazionali di sicurezza, tra cui le approvazioni ENEC secondo IEC/EN 60384-14, la certificazione UL secondo UL 60384-14, la conformità a CSA E60384-14 e la certificazione CQC secondo GB/T 6346.14.

Applicazioni industriali e automotive
I moderni sistemi elettrici ad alta tensione dei veicoli elettrici e ibridi (xEV) generano significativi disturbi transitori con elevate velocità di variazione della tensione (dV/dt), dovuti ai rapidi fronti di commutazione degli stadi di potenza basati su carburo di silicio (SiC) e nitruro di gallio (GaN). Il formato compatto della famiglia B3201 consente agli ingegneri hardware di collocare i filtri Y1 tra linea e terra direttamente in prossimità degli ingressi dei moduli di potenza nei caricabatterie di bordo (OBC) e nei convertitori CC-CC. Questa configurazione riduce al minimo le induttanze parassite e le aree dei circuiti percorsi dalle correnti di disturbo.

Nelle stazioni di ricarica rapida in corrente continua, negli inverter centrali fotovoltaici e nei sistemi di accumulo di energia su scala di rete (ESS), i componenti forniscono una soppressione primaria dei disturbi di modo comune sulle linee di alimentazione in corrente alternata ad alta tensione. La qualificazione AEC-Q200 Rev. E conferma la robustezza strutturale dei componenti rispetto agli shock termici automotive, alle vibrazioni cicliche e alla flessione meccanica del substrato.

Approfondimento tecnico :
Questa sezione presenta specifiche tecniche e confronti con componenti alternativi non inclusi nell'annuncio originale del prodotto.

I condensatori di sicurezza sono disciplinati dalla norma internazionale IEC 60384-14, che definisce le classi di prova in base alla topologia di collegamento alla linea e alla capacità di resistere alle tensioni impulsive di picco. La classe Y1 rappresenta la classificazione di sicurezza più rigorosa per le applicazioni tra linea e terra. I componenti certificati devono superare una prova con un impulso di tensione di 8 kV di picco, caratterizzato da una forma d'onda di 1,2/50 µs, senza subire perforazioni del dielettrico.

Storicamente, il filtraggio di classe Y1 si è basato principalmente su condensatori ceramici a disco radiali a singolo strato, come la serie AY1 di Vishay, oppure su specifici condensatori ceramici multistrato (MLCC). Sebbene i condensatori ceramici a disco offrano spesso tensioni impulsive superiori a 10 kV e intervalli di temperatura operativa fino a +125 °C, i dielettrici ceramici, generalmente materiali ferroelettrici di classe II, subiscono una riduzione della capacità in presenza di polarizzazione in corrente continua o alternata. Inoltre, i valori massimi di capacità sono limitati e, nelle dimensioni standard, generalmente inferiori a 4,7 nF, a causa dei vincoli dimensionali e dei requisiti relativi alla corrente di dispersione.

Grazie all'impiego di film di polipropilene metallizzato, la serie B3201 di TDK raggiunge valori di capacità fino a 33 nF in un involucro scatolato. I dielettrici MKP presentano un fattore di dissipazione (tan δ) estremamente basso e una capacità stabile al variare della tensione. Ciò evita il degrado delle prestazioni di filtraggio associato alle variazioni di capacità che si verificano nei materiali ceramici ad alta costante dielettrica sotto polarizzazione elettrica.

Rispetto ai tradizionali condensatori a film di classe Y2, generalmente limitati a tensioni nominali di 300 V in corrente alternata e a tensioni impulsive di 5 kV, la serie B3201 supporta tensioni di linea superiori, pari a 500 V in corrente alternata, e offre la resistenza agli impulsi di 8 kV richiesta dai requisiti di sicurezza della classe Y1.

Redazione: Sucithra Mani, editor di Induportals, con il supporto dell'intelligenza artificiale.

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