Zapewnienie bezpiecznego i niezawodnego ładowania pojazdów elektrycznych dzięki wielowarstwowym kondensatorom ceramicznym z elastycznymi zakończeniami

Ilość układów elektronicznych w pojazdach szybko rośnie, a branża koncentruje się zwykle na czujnikach, jednostkach sterujących silnika (ECU), nawigacji, łączności w kabinie, systemie audio i zaawansowanych systemach wspomagania kierowcy (ADAS). W miarę upowszechniania pojazdów elektrycznych (EV), krytycznego znaczenia nabierają wysokonapięciowe i niezawodne komponenty elektroniczne, które mogą wytrzymać napięcia powyżej 800V, a jednocześnie spełniają surowe wymagania środowiskowe. Ta potrzeba rozciąga się aż do poziomu kondensatora.

Oprócz zgodności z normami, takimi jak AEC-Q200 dotyczącymi odporności na obciążenia, podczas doboru kondensatorów projektanci samochodów muszą wziąć pod uwagę wiele właściwości fizycznych i elektrycznych w zależności od konkretnego zastosowania. Do pętli sprzężenia zwrotnego wymagane są kondensatory o ścisłych tolerancjach i stabilnych współczynnikach temperaturowych. W zastosowaniach wysokiej częstotliwości równoważna indukcyjność szeregowa (ESL) musi być niska. W zastosowaniach związanych z zasilaniem potrzebne są komponenty o niskiej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR), jeśli spodziewane są wysokie prądy tętniące. W przypadku pojazdów elektrycznych ważna jest również minimalizacja rozmiarów i wagi.

Aby sprostać tym wymaganiom, dostępne są obecnie wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) do montażu powierzchniowego z certyfikatem bezpieczeństwa, które są zgodne z wieloma międzynarodowymi specyfikacjami bezpieczeństwa i certyfikatami, w tym AEC-Q200.

W tym artykule opisano strukturę wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych (MLCC) i wymagania dotyczące tych kondensatorów w pojazdach elektrycznych. Następnie wskazano, w jaki sposób właściwe rozmiary i sprawność wolumetryczna, a także funkcje takie jak zakończenie FlexiCap i wysokie napięcia wytrzymywane pomagają wielowarstwowym kondensatorom ceramicznym (MLCC) spełnić wymagania fizyczne i elektryczne. Przedstawiono rzeczywiste przykłady produkowane przez firmę Knowles Syfer.

Struktura wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych (MLCC)

Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) przeznaczone są do montażu powierzchniowego i składają się z kilku odrębnych elementów kondensatorowych ułożonych pionowo i połączonych równolegle za pomocą zakończeń. Stąd określenie „wielowarstwowe” (ilustracja 1).

Ilustracja 1: przekrój poprzeczny struktury wielowarstwowego kondensatora ceramicznego (MLCC) pokazuje wiele warstw kondensatorów ułożonych w stos we wspólnej obudowie. (Źródło ilustracji: Knowles Syfer)

Aby skonstruować wielowarstwowy kondensator ceramiczny (MLCC), warstwy dielektryka ceramicznego są nakładane przy użyciu procesu osłaniania na przemian z elektrodami o alternatywnej polaryzacji. Pozwala to na utworzenie bardzo dużej liczby warstw. Równoległe połączenie wielu par elektrod dodatnich (+) i ujemnych (-) umożliwia uzyskiwanie dużych wartości pojemności w stosunkowo niewielkiej obudowie.

Elektrody wykonane są z metalu i charakteryzują się wysoką przewodnością. Proces produkcyjny wymaga, aby elektrody były chemicznie niereaktywne i miały wysoką temperaturę topnienia. W tym celu w wielowarstwowych kondensatorach ceramicznych (MLCC) firmy Knowles Syfer zastosowano elektrody wykonane z połączenia srebra i palladu.

Dielektryki muszą być również dobrymi izolatorami. Przenikalność względna - lub stała dielektryczna (e_r) - określa pojemność osiągalną dla danej geometrii elementu. Na przykład kondensatory MLCC firmy Knowles Syfer z certyfikatem podwyższonego bezpieczeństwa są dostarczane z dwiema klasami dielektryków ceramicznych. Pierwszym z nich jest C0G/NP0, dielektryk klasy 1 EIA, którego przenikalność elektryczna wynosi od 20 do 100, w stosunku do przenikalności próżni, której współczynnik e_r wynosi 0. Drugi to X7R, dielektryk klasy 2 EIA, dla którego e_r mieści się między 2000 a 3000. Dla porównania, e_r miki wynosi 5,4, a folii plastikowej 3. Kondensator ceramiczny jest zatem mniejszy dla danej wartości pojemności. Wybór dielektryka wpływa na stabilność kondensatora w odniesieniu do temperatury, przyłożonego napięcia i czasu. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa wartość e_r, tym mniejsza stabilność wartości pojemności.

EIA oznacza dielektryki klasy 2 za pomocą klasyfikacji alfanumerycznej. Pierwsza litera oznacza temperaturę minimalną, liczba oznacza temperaturę maksymalną, a ostatnia litera opisuje tolerancję pojemności. Oznaczenie dielektryka X7R należy rozumieć jako minimalną temperaturę -55°C, maksymalną temperaturę +125°C i tolerancję pojemności ±15%. Dielektryki klasy 1, takie jak C0G, mają podobne kodowanie. Pierwszy znak, litera, podaje znaczącą ilościową zmianę pojemności wraz z temperaturą w częściach na milion na stopień Celsjusza (ppm/°C). Dla dielektryka C0G, C oznacza znaczącą wartość zero ppm/°C dla stabilności temperaturowej. Druga liczba to mnożnik stabilności temperaturowej. Cyfra 0 oznacza mnożnik 10^-1. Ostatnia litera, G, określa błąd pojemności ±30 ppm.

Dielektryki klasy 1 zapewniają wyższą dokładność i stabilność. Wykazują również mniejsze straty. Dielektryki klasy 2 są mniej stabilne, ale oferują wyższą sprawność wolumetryczną, zapewniając w ten sposób większą pojemność na jednostkę objętości. W związku z tym wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) o wyższej wartości zazwyczaj wykorzystują dielektryki klasy 2. Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) firmy Knowles Syfer z certyfikatem podwyższonego bezpieczeństwa mają wysoki zakres pojemności od 4,7pF do 56nF, zależnie od wyboru dielektryka, wytrzymując napięcie do 305V~.

Pojemność kondensatora MLCC jest wprost proporcjonalna do powierzchni nakładania się elektrod, jak również do współczynnika e_r dielektryka ceramicznego. Pojemność jest odwrotnie proporcjonalna do grubości dielektryka, a napięcie znamionowe jest do niej wprost proporcjonalne. W związku z tym istnieją kompromisy między pojemnością, napięciem znamionowym i fizycznymi rozmiarami kondensatora.

Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) do pojazdów elektrycznych (EV)

Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) mają stosunkowo niską równoważną indukcyjność szeregową (ESL) i równoważną rezystancję szeregową (ESR), dzięki czemu lepiej nadają się do zastosowań wysokiej częstotliwości, a dzięki szerokiemu wyborowi dielektryków, wartości pojemności i zakres tolerancji można zoptymalizować pod kątem zastosowania. Są to komponenty do montażu powierzchniowego z obudowami o bardzo wysokiej sprawności wolumetrycznej, co pomaga im sprostać ograniczeniom przestrzennym w pojazdach elektrycznych. Są również dużo bardziej odporne na stany nieustalone napięcia w porównaniu z aluminiowymi kondensatorami elektrolitycznymi i kondensatorami tantalowymi.

Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne są szeroko stosowane, jednak mogą pękać przy narażeniu na naprężenia mechaniczne z powodu drgań. Pęknięcia narażają urządzenie na degradację poprzez zawilgocenie. Projektanci firmy Knowles Syfer rozwiązali ten problem, tworząc zakończenia FlexiCap, które oferują zwiększoną tolerancję na zginanie komponentów (ilustracja 2).

Ilustracja 2: konstrukcja FlexiCap wykorzystuje zastrzeżoną, elastyczną podstawę zakończeniową z polimeru epoksydowego pod typową barierą kołpaka końcowego, aby zapewnić większą odporność na uszkodzenia spowodowane zginaniem płytki. (Źródło ilustracji: Knowles Syfer)

Elastyczna podstawa zakończeniowa zastosowana we FlexiCap jest nakładana na elektrody. Materiał ten jest polimerem epoksydowym nasyconym srebrem, który jest nakładany przy użyciu konwencjonalnych technik zakończeniowych, a następnie utwardzany termicznie. Jest elastyczny i pochłania część odkształceń mechanicznych między płytką a zamontowanym wielowarstwowym kondensatorem ceramicznym (MLCC).

W rezultacie komponenty z zakończeniami FlexiCap wytrzymują większe odkształcenia mechaniczne w porównaniu z komponentami z zakończeniami spiekanymi. FlexiCap zapewnia również zwiększoną ochronę przed pękaniem mechanicznym oraz w zastosowaniach, w których występują szybkie zmiany temperatury. Dla projektantów pojazdów elektrycznych rezultatem jest większy stopień tolerancji na zginanie płytek w procesach technologicznych, co przekłada się na zwiększoną wydajność i mniej awarii w terenie.

Co również ważne, dla pojazdów elektrycznych, kondensatory firmy Knowles Syfer z certyfikatem bezpieczeństwa są dostępne z kwalifikacją AEC-Q200. Uznaje się, że części posiadają „kwalifikację AEC-Q200”, jeśli przeszły rygorystyczny zestaw prób wytrzymałościowych dotyczących między innymi temperatury, wstrząsu cieplnego, odporności na wilgoć, tolerancji wymiarowej, odporności na rozpuszczalniki, wstrząsy mechaniczne, drgania, wyładowania elektrostatyczne, łatwość lutowania i elastyczność płytki.

Pod względem elektrycznym, linia wyrobów z certyfikatem bezpieczeństwa charakteryzuje się wysokim napięciem wytrzymywanym dielektryka (DWV) wynoszącym 4kV₌ i 3kV_RMS. Są to krytyczne cechy systemów ładowania pojazdów elektrycznych (EV) 800V, co do których wymagane są szerokie marginesy prób i bezpieczeństwa.

Przykłady wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych (MLCC) do pojazdów elektrycznych (EV)

Linia produktów firmy Knowles Syfer z certyfikatem podwyższonego bezpieczeństwa zawiera kondensatory o szerokim zakresie wartości, zarówno wyposażone w zakończenie Flexicap, jak i posiadające kwalifikację AEC-Q200, dzięki czemu są szczególnie odpowiednie do stosowania w pojazdach elektrycznych. Na przykład kondensatory C0G/NP0 1808JA250101JKTSYX o pojemności 100pF i napięciu znamionowym 250V~ do zastosowań klasy Y2 (linia-ziemia) i 305V~ w zastosowaniach klasy X1 (linia-linia), przy tolerancji ±5%. Są one zamknięte w obudowach 1808 o wymiarach 0,195 x 0,079in, czyli 4,95 x 2,00mm (ilustracja 3).

Ilustracja 3: fizyczne wymiary wielowarstwowego kondensatora ceramicznego 1808JA250101JKTSYX (z lewej), razem z zalecanym układem pól lutowniczych (z prawej). (Źródło ilustracji: Knowles Syfer)

Typowym kondensatorem X7R jest model 1812Y2K00103KST firmy Knowles Syfer o pojemności 10000pF ±10% 2kV w obudowie 1812 o wymiarach 4,5 x 3,2 x 2,5mm. Zarówno kondensator 1808JA250101JKTSYX, jak i 1812Y2K00103KST mają znamionowy zakres temperatur od -55°C do +125°C. Omawiana linia produktów jest dostępna w obudowach o rozmiarach 1808, 1812, 2211, 2215 i 2220, w zależności od zastosowanego dielektryka, wartości pojemności i napięcia znamionowego.

Innym przykładem może być oferowany przez firmę Knowles Syfer kondensator 1808JA250101JKTS2X o pojemności 100pF, 250V~ (klasa X2), 1kV=, C0G/NP0 o tolerancji ±5%. Kondensator 2220YA250102KXTB16 o pojemności 1000pF, ±10%, 250V, X7R.

Należy zauważyć, że wymagania produkcyjne dotyczące montażu i lutowania kondensatorów z zakończeniami FlexiCap są takie same jak w przypadku wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych (MLCC) ze standardowym zakończeniem spiekanym, więc nie wymagają specjalnego traktowania. Ponadto, odnosząc się ponownie do ilustracji 3, kondensatory mikroelektroniczne firmy Knowles można montować przy użyciu układów pól lutowniczych zgodnych z normą IPC-7351 „Wymagania ogólne dotyczące projektowania montażu powierzchniowego i standardów wzorów powierzchni płytek”. Opisano również sposób zmniejszania naprężeń mechanicznych za pomocą innych czynników, takich jak zmniejszenie szerokości pól lutowniczych do szerokości mniejszej niż szerokość układu mikroelektronicznego.

Podsumowanie

Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC) Flexicap firmy Knowles Syfer z kwalifikacją AEC-Q200 doskonale sprawdzają się w pojazdach elektrycznych (EV), zwłaszcza w systemach akumulatorów 800V, w których niezbędne jest zwiększone napięcie probiercze i margines bezpieczeństwa, aby poradzić sobie z przepięciami i stanami nieustalonymi. Zakończenia FlexiCap sprawiają, że kondensatory są w stanie wytrzymać większe obciążenia mechaniczne. Ze względu na to oraz na spełnienie normy AEC-Q200, oferują one projektantom unikalną kombinację możliwości, stabilności i certyfikacji bezpieczeństwa.