Asigurați o încărcare sigură și fiabilă a vehiculelor electrice utilizând condensatoare ceramice multistrat cu terminații flexibile

În timp ce numărul de componente electronice din vehicule crește rapid, industria a avut tendința de a se concentra pe senzori, unități de control al motorului (ECU), navigație, conectivitate în cabină, sisteme audio și sisteme avansate de asistență pentru șofer (ADAS). Pe măsură ce vehiculele electrice (EV) devin o tendință generală, componentele electronice de înaltă tensiune și fiabilitate ridicată care pot tolera până la 800 de volți, respectând în același timp cerințele stricte de mediu, au devenit esențiale. Această necesitate se aplică până la nivelul condensatorului.

Pe lângă conformitatea cu standarde precum AEC-Q200 pentru rezistență la stres, proiectanții de automobile care selectează condensatoare trebuie să ia în considerare multe caracteristici fizice și electrice în funcție de aplicația specifică. Pentru buclele de reacție sunt necesare condensatoare cu toleranță strânsă și coeficienți de temperatură stabili. În aplicațiile de înaltă frecvență, inductanța echivalentă în serie (ESL) trebuie să fie scăzută. În aplicațiile de putere, sunt necesare componente cu rezistență echivalentă serie (ESR) scăzută dacă se anticipează curenți de ondulație mari. Pentru vehiculele electrice, reducerea la minimum a dimensiunilor și a greutății este, de asemenea, importantă.

Pentru a răspunde acestor cerințe, sunt acum disponibile condensatoare ceramice multistrat (MLCC) cu montare pe suprafață certificate pentru siguranță, care respectă mai multe specificații și certificări internaționale de siguranță, inclusiv AEC-Q200.

Acest articol descrie structura condensatoarelor MLCC și ce se așteaptă de la MLCC-uri pentru vehiculele electrice. Apoi arată cum dimensiunea inerentă și eficiența volumetrică, precum și caracteristicile precum terminația FlexiCap și tensiunile de rezistență ridicate, ajută MLCC-urile să îndeplinească cerințele fizice și electrice. Sunt oferite exemple din lumea reală de la Knowles Syfer.

Structura MLCC-urilor

MLCC-urile sunt condensatoare cu montare pe suprafață care cuprind mai multe elemente condensatoare individuale stivuite vertical și conectate în paralel prin terminațiile de capăt. De aici și termenul de multistrat (Figura 1).

Figura 1: O vedere în secțiune transversală a structurii unui MLCC arată mai multe straturi de condensatoare stivuite într-o capsulă comună. (Sursa imaginii: Knowles Syfer)

Pentru a construi un MLCC, straturile de dielectric ceramic sunt construite folosind un proces de ecranare alternând cu electrozi de polaritate alternativă. Acest lucru permite crearea unui număr foarte mare de straturi. Conectarea în paralel a acestor perechi de electrozi multipli pozitivi (+) și negativi (-) permite fabricarea unor valori mari de capacitate într-un pachet relativ mic.

Electrozii sunt metalici și foarte conductivi. Procesul de fabricație necesită ca electrozii să fie nereactivi din punct de vedere chimic și să aibă un punct de topire ridicat. Pentru aceasta, condensatorii MLCC Knowles Syfer folosesc o combinație de argint și paladiu ca electrozi.

Dielectricii trebuie să fie, de asemenea, buni izolatori. Permisivitatea relativă - sau constanta dielectrică (e_r) - determină capacitatea realizabilă pentru o anumită geometrie a componentei. De exemplu, MLCC-urile cu montare pe suprafață certificate pentru siguranță îmbunătățită de la Knowles Syfer vin cu două clase de dielectrici ceramici. Primul este C0G/NP0, un dielectric EIA clasa 1, care are o permitivitate între 20 și 100, în raport cu permitivitatea vidului, care are o valoare e_r de 0. Al doilea este X7R, un dielectric EIA clasa 2, cu o valoare e_r cuprinsă între 2000 și 3000. Ca o comparație, valoarea e_r pentru mică este 5,4, iar pentru folia de plastic este 3. Astfel, condensatorul ceramic va fi mai mic pentru o valoare dată a capacității. Selectarea dielectricului afectează stabilitatea condensatorului în raport cu temperatura, tensiunea aplicată și timpul. În general, cu cât valoarea e_r este mai mare, cu atât valoarea capacității este mai puțin stabilă.

EIA clasifică dielectricele din clasa 2 cu o clasificare alfanumerică. Prima literă desemnează temperatura minimă, numărul indică temperatura maximă, iar ultima literă descrie toleranța capacității. Dielectricul X7R se decodează ca având o temperatură minimă de -55°C, o temperatură maximă de +125°C și o toleranță de capacitate de ±15%. Dielectricele din clasa 1, cum ar fi C0G, au o codificare similară. Primul caracter, o literă, indică cifra semnificativă a modificării capacității în funcție de temperatură în părți pe milion pe grad Celsius (ppm/°C). Pentru dielectricul C0G, C reprezintă o cifră semnificativă de zero ppm/°C pentru stabilitatea la temperatură. Al doilea număr este multiplicatorul pentru stabilitatea temperaturii. Cifra 0 indică un multiplicator de 10^-1. Ultima literă, G, definește eroarea de capacitate de ±30 ppm.

Dielectricii de clasa 1 oferă o precizie și o stabilitate mai mare. De asemenea, acestea prezintă pierderi mai mici. Dielectricii de clasa 2 sunt mai puțin stabili, dar oferă o eficiență volumetrică mai mare, oferind astfel o capacitate mai mare pe unitate de volum. În consecință, condensatoarele MLCC de valoare mai mare utilizează în general dielectrici de clasa 2. MLCC-urile Knowles Syfer cu certificare de siguranță îmbunătățită au o gamă înaltă de capacități de la 4,7 picofarazi (pF) la 56 nanofarazi (nF), în funcție de alegerea dielectricului, și tensiuni nominale de până la 305 volți curent alternativ (V c.a.).

Capacitatea unui MLCC este direct proporțională cu suprafața de suprapunere a electrozilor, precum și cu valoarea e_r a dielectricului ceramic. Capacitatea este invers proporțională cu grosimea dielectricului, în timp ce tensiunea nominală este proporțională cu aceasta. Ca atare, există compromisuri între capacitatea, tensiunea nominală și dimensiunea fizică a condensatorului.

MLCC-uri pentru vehiculele electrice

MLCC-urile au ESL și ESR relativ scăzute, ceea ce le face mai potrivite pentru aplicații de înaltă frecvență, iar cu o gamă largă de dielectrici, valorile capacității și intervalul de toleranță pot fi optimizate în funcție de aplicație. Acestea sunt componente cu montare pe suprafață, cu pachete foarte eficiente din punct de vedere volumetric, ceea ce le ajută să facă față constrângerilor de spațiu din vehiculele electrice. Acestea sunt, de asemenea, foarte rezistente la fenomenele tranzitorii de tensiune în comparație cu condensatoarele electrolitice din aluminiu și tantal.

În timp ce MLCC-urile sunt utilizate pe scară largă, dacă sunt supuse la solicitări mecanice datorate vibrațiilor sau șocurilor, acestea se pot fisura. Fisurile expun dispozitivul la degradare prin contaminare cu umiditate. Proiectanții Knowles Syfer au abordat această problemă prin crearea terminațiilor FlexiCap care oferă o toleranță sporită la flexiunea componentelor (Figura 2).

Figura 2: Designul FlexiCap utilizează o bază de terminație flexibilă de polimer epoxidic sub bariera obișnuită a capacului de capăt pentru a oferi o rezistență mai mare la deteriorarea provocată de flexiunea plăcii. (Sursa imaginii: Knowles Syfer)

Baza de terminație flexibilă utilizată în FlexiCap este aplicată peste electrozi. Acest material este un polimer epoxidic încărcat cu argint care se aplică folosind tehnici convenționale pentru terminații și apoi se polimerizează la căldură. Este flexibil, absorbind o parte din tensiunea mecanică dintre placă și MLCC-ul montat.

Ca urmare, componentele terminate cu FlexiCap rezistă la niveluri mai mari de tensiune mecanică în comparație cu componentele terminate prin sinterizare. FlexiCap oferă, de asemenea, o protecție sporită împotriva fisurilor mecanice și în aplicațiile în care au loc schimbări rapide de temperatură. Pentru proiectanții de vehicule electrice, rezultatul este un grad mai mare de toleranță la flexiune în manipularea plăcilor în curs de prelucrare, ceea ce se traduce prin creșterea randamentului și reducerea numărului de defecțiuni care apar pe teren.

De asemenea, important pentru vehiculele electrice, condensatoarele Knowles Syfer certificate pentru siguranță sunt disponibile cu calificare AEC-Q200. Piesele sunt considerate ca fiind „calificate AEC-Q200” dacă au trecut cu succes suita strictă de teste de stres pentru temperatură, șocuri termice, rezistență la umiditate, toleranță dimensională, rezistență la solvenți, șocuri mecanice, vibrații, descărcări electrostatice, lipire și flexibilitate a plăcii, printre altele.

Din punct de vedere electric, linia certificată pentru siguranță are o tensiune de rezistență dielectrică (DWV) ridicată de 4 kilovolți curent continuu (kV_c.c.) și 3 kV_RMS. Acestea sunt caracteristici critice pentru sistemele de încărcare de 800 de volți pentru vehicule electrice, unde sunt necesare marje largi de testare și de siguranță.

Exemple de MLCC-uri pentru vehiculele electrice

Din linia Knowles Syfer cu certificare de siguranță îmbunătățită, o gamă largă de valori de condensatoare prezintă atât terminația Flexicap, cât și calificarea AEC-Q200, ceea ce le face deosebit de potrivite pentru aplicațiile pentru vehiculele electrice. De exemplu, 1808JA250101JKTSYX este un condensator C0G/NP0 de 100 pF cu o tensiune nominală de 250 volți c.a. pentru aplicații de clasă Y2 (între fază și pământ) și de 305 volți c.a. în aplicații de clasă X1 (între faze), cu o toleranță de ±5%. Acesta este găzduit într-o capsulă 1808 cu dimensiuni de 0,195 x 0,079 inchi, sau 4,95 x 2,00 milimetri (mm) (Figura 3).

Figura 3: Sunt prezentate dimensiunile fizice ale MLCC 1808JA250101JKTSYX (stânga) împreună cu dispunerea recomandată a plăcuțelor de lipit (dreapta). (Sursa imaginii: Knowles Syfer)

Un condensator X7R tipic este Knowles Syfer 1812Y2K00103KST, un dispozitiv de 10000 pF ±10% 2 kV într-o capsulă 1812 cu dimensiuni de 4,5 x 3,2 x 2,5 mm. Ambele tipuri de condensatoare 1808JA250101JKTSYX și 1812Y2K00103KST au o gamă de temperaturi nominale de la -55°C la +125°C. Linia de produse este disponibilă în mărimile de carcasă 1808, 1812, 2211, 2215 și 2220, în funcție de dielectricul utilizat, valoarea capacității și tensiunea nominală.

Alte exemple includ condensatorul Knowles Syfer 1808JA250101JKTS2X, un condensator C0G/NP0 de 100 pF, 250 volți c.a. (clasa X2), 1 kV c.c., cu o toleranță de ±5%. 2220YA250102KXTB16 este un condensator X7R de 250 volți de 1000 pF ±10%.

Rețineți că cerințele de fabricație pentru montarea și lipirea condensatoarelor cu terminație FlexiCap sunt identice cu cele pentru un MLCC cu o terminație sinterizată standard, astfel încât acestea nu necesită o manipulare specială. În plus, și făcând referire din nou la Figura 3, condensatoarele cu cip Knowles pot fi montate folosind configurații de plăcuțe conforme cu IPC-7351, cu cerințele generice pentru standardele de proiectare a montajului pe suprafață și a modelelor de aranjare a plăcuțelor. Mai mult de atât, s-a demonstrat că și alți factori pot reduce stresul mecanic, cum ar fi reducerea lățimii plăcuței la o lățime mai mică decât cea a cipului.

Concluzie

MLCC-urile Knowles Syfer Flexicap calificate AEC-Q200 sunt potrivite pentru aplicațiile pentru vehiculele electrice, în special pentru sistemele de baterii de 800 de volți, unde este esențială o tensiune de testare crescută și o marjă de siguranță pentru a face față condițiilor de supratensiune și tranzitorii. Terminația FlexiCap face ca aceste condensatoare să poată suporta niveluri mai mari de stres mecanic. Ca atare, și în conformitate cu AEC-Q200, acestea oferă proiectanților o combinație unică între capacitate, stabilitate și certificarea de siguranță.