Zajištění bezpečného a spolehlivého nabíjení elektromobilů pomocí vícevrstvých keramických kondenzátorů s flexibilními zakončeními

Zatímco množství elektroniky ve vozidlech rychle roste, průmysl se soustřeďuje spíše na senzory, řídicí jednotky motoru („engine control unit“, ECU), navigaci, konektivitu v kabině, zvuk a pokročilé asistenční systémy pro řidiče („advanced driver assistance system“, ADAS). S tím, jak se elektromobily („electric vehicle“, EV) stávají mainstreamovou záležitostí, kriticky důležitými se staly vysokonapěťové a vysoce spolehlivé elektronické součástky, které snesou napětí až 800 voltů a zároveň splňují přísné požadavky na prostředí. Tato potřeba platí až na úroveň kondenzátoru.

Kromě vyhovění normám, jako je standard AEC-Q200 pro odolnost proti namáhání, musí automobiloví konstruktéři při výběru kondenzátorů zvážit v závislosti na konkrétní aplikaci mnoho fyzických a elektrických charakteristik. Pro zpětnovazební smyčky jsou vyžadovány kondenzátory s úzkou tolerancí a stabilními teplotními koeficienty. Ve vysokofrekvenčních aplikacích musí být ekvivalentní sériová indukčnost („equivalent series inductance“, ESL) nízká. Pokud se ve výkonových aplikacích předpokládá vysoký zvlněný proud, jsou zapotřebí součástky s nízkým ekvivalentním sériovým odporem („equivalent series resistance“, ESR). U elektromobilů je také důležité minimalizovat velikost a hmotnost.

Ke splnění těchto požadavků jsou nyní k dispozici vícevrstvé keramické kondenzátory („multilayer ceramic capacitor“, MLCC) pro povrchovou montáž s bezpečnostní certifikací, které vyhovují mnoha mezinárodním bezpečnostním specifikacím a certifikacím včetně standardu AEC-Q200.

V tomto článku je popsána struktura kondenzátorů MLCC a požadavky na kondenzátory MLCC pro elektromobily. Poté je zde ukázáno, jak vlastní velikost a objemová účinnost, stejně jako funkce, jako je zakončení FlexiCap a vysoká výdržná napětí, pomáhají kondenzátorům MLCC splňovat fyzické a elektrické požadavky. Uvedeny jsou příklady z reálného světa od společnosti Knowles Syfer.

Konstrukce kondenzátorů MLCC

MLCC jsou kondenzátory pro povrchovou montáž, které obsahují několik jednotlivých kondenzátorových prvků naskládaných vertikálně a paralelně spojených koncovými zakončeními. Odtud pochází termín vícevrstvý (obrázek 1).

Obrázek 1: Příčný řez konstrukcí kondenzátoru MLCC zobrazuje více vrstev kondenzátorů naskládaných ve společném pouzdru. (Zdroj obrázku: společnost Knowles Syfer)

Při konstruování kondenzátoru MLCC se sestavují vrstvy keramického dielektrika pomocí procesu stínění střídavě s elektrodami se střídavou polaritou. To umožňuje vytvořit velmi velký počet vrstev. Paralelní spojení těchto vícenásobných kladných (+) a záporných (−) párů elektrod umožňuje výrobu velkých kapacitních hodnot v relativně malém pouzdru.

Elektrody jsou kovové a vysoce vodivé. Výrobní proces vyžaduje, aby elektrody byly chemicky nereaktivní a měly vysokou teplotu tání. K tomu kondenzátory MLCC společnosti Knowles Syfer využívají jako elektrody kombinaci stříbra a palladia.

Dielektrika musí být také dobrými izolanty. Relativní permitivita – neboli dielektrická konstanta (e_r) – určuje dosažitelnou kapacitu pro danou geometrii součástky. Například kondenzátory MLCC pro povrchovou montáž s certifikovanou zvýšenou bezpečností společnosti Knowles Syfer se dodávají se dvěma třídami keramických dielektrik. První je C0G/NP0, dielektrikum EIA třídy 1, které má permitivitu mezi 20 a 100, v porovnání s permitivitou vakua, které má hodnotu e_r rovnou 0. Druhým je X7R, dielektrikum EIA třídy 2, s hodnotou e_r mezi 2000 a 3000. Pro srovnání – hodnota e_r slídy je 5,4 a plastové fólie 3. Takže keramický kondenzátor bude pro danou hodnotu kapacity menší. Výběr dielektrika ovlivňuje stabilitu kondenzátoru s ohledem na teplotu, použité napětí a čas. Obecně platí, že čím vyšší je e_r, tím méně stabilní je hodnota kapacity.

V normě EIA jsou klasifikována dielektrika třídy 2 s alfanumerickou klasifikací. První písmeno označuje minimální teplotu, číslo maximální teplotu a poslední písmeno popisuje toleranci kapacity. Dielektrikum X7R se dekóduje tak, že má minimální teplotu −55 °C, maximální teplotu +125 °C a toleranci kapacity ±15 %. Dielektrika třídy 1 jako C0G mají podobné kódování. První znak, písmeno, udává významnou hodnotu změny kapacity s teplotou v částicích na milion na stupeň Celsia (ppm/°C). Pro dielektrikum C0G představuje písmeno C významnou nulovou hodnotu ppm/°C pro teplotní stabilitu. Druhé číslo je násobitel teplotní stability. 0 označuje násobitel 10⁻¹. Poslední písmeno, G, definuje chybu kapacity ±30 ppm.

Dielektrika třídy 1 nabízejí vyšší přesnost a stabilitu. Vykazují také nižší ztráty. Dielektrika třídy 2 jsou méně stabilní, ale nabízejí vyšší objemovou účinnost, čímž poskytují větší kapacitu na jednotku objemu. V důsledku toho kondenzátory MLCC s vyšší hodnotou obecně používají dielektrika třídy 2. Kondenzátory MLCC s certifikovanou zvýšenou bezpečností společnosti Knowles Syfer mají v závislosti na volbě dielektrika vysoký rozsah kapacity od 4,7 pF do 56 nF a jmenovité napětí až do 305 V AC.

Kapacita kondenzátorů MLCC je přímo úměrná překrývající se ploše elektrod stejně jako konstantě e_r keramického dielektrika. Kapacita je nepřímo úměrná tloušťce dielektrika, zatímco jmenovité napětí jí je úměrné. Z těchto důvodů musí docházet ke kompromisům mezi kapacitou, jmenovitým napětím a fyzickou velikostí kondenzátoru.

Kondenzátory MLCC pro elektromobily

Kondenzátory MLCC mají relativně nízké hodnoty ESL a ESR, takže se lépe hodí pro vysokofrekvenční aplikace a díky širokému výběru dielektrik lze hodnoty kapacity a rozsah tolerance optimalizovat pro danou aplikaci. Jedná se o součástky pro povrchovou montáž s velmi objemově efektivními pouzdry, které jim pomáhají řešit prostorová omezení v elektromobilech. Ve srovnání s hliníkovými elektrolytickými a tantalovými kondenzátory jsou také vysoce odolné vůči napěťovým přechodům.

Přestože se kondenzátory MLCC široce využívají, pokud jsou vystaveny mechanickému namáhání v důsledku vibrací nebo nárazů, mohou prasknout. Praskliny umožňují degradaci zařízení v důsledku kontaminace vlhkostí. Konstruktéři společnosti Knowles Syfer tento problém vyřešili vytvořením zakončení FlexiCap, které nabízí zvýšenou toleranci vůči ohybu součástky (obrázek 2).

Obrázek 2: Konstrukce zakončení FlexiCap využívá patentovanou flexibilní epoxidovou polymerovou základnu zakončení pod obvyklou bariérou koncové krytky, aby byla zajištěna větší odolnost proti poškození v důsledku ohybu desky. (Zdroj obrázku: společnost Knowles Syfer)

Flexibilní základna zakončení použitá v zakončení FlexiCap se aplikuje přes elektrody. Tento materiál je epoxidový polymer plněný stříbrem, který se nanáší běžnými technikami zakončení a poté se vytvrzuje teplem. Je flexibilní a absorbuje část mechanického namáhání mezi deskou a osazeným kondenzátorem MLCC.

Výsledkem je, že součástky se zakončením FlexiCap odolávají většímu mechanického namáhání ve srovnání se součástkami se slinutým zakončením. Zakončení FlexiCap nabízí také zvýšenou ochranu proti mechanickému prasknutí a ochranu v aplikacích, kde dochází k rychlým změnám teploty. Pro konstruktéry elektromobilů je výsledkem vyšší míra tolerance ohybu při manipulaci s rozpracovanými deskami, což vede ke zvýšení výnosů a menšímu počtu poruch v provozu.

Pro elektromobily je také důležité, že kondenzátory s certifikací bezpečnosti společnosti Knowles Syfer jsou dostupné s kvalifikací AEC-Q200. Díly jsou považovány za „certifikované podle normy AEC-Q200“, pokud prošly přísnou sadou zátěžových testů mimo jiné na teplotu, tepelný šok, odolnost proti vlhkosti, rozměrovou toleranci, odolnost vůči rozpouštědlům, mechanickému nárazu, vibracím, elektrostatickým výbojům, pájitelnost a ohyb desky.

Elektricky se řada s certifikovanou bezpečností vyznačuje vysokým dielektrickým výdržným napětím („dielectric withstand voltage“, DWV) 4 kV_DC a 3 kV_RMS. To jsou kritické vlastnosti pro 800voltové nabíjecí systémy elektromobilů, kde jsou zapotřebí široké testovací a bezpečnostní rezervy.

Příklady kondenzátorů MLCC pro elektromobily

Řada s certifikovanou zvýšenou bezpečností společnosti Knowles Syfer nabízí širokou škálu hodnot kondenzátorů jak se zakončením Flexicap, tak s kvalifikací AEC-Q200, díky čemuž jsou zvláště vhodné pro aplikace elektromobilů. Například model 1808JA250101JKTSYX je 100pF kondenzátor C0G/NP0 s jmenovitým napětím 250 V AC pro aplikace třídy Y2 (fáze-zem) a 305 V AC v aplikacích třídy X1 (fáze-fáze) s tolerancí ±5 %. Je uložen v pouzdře 1808 o rozměrech 0,195 × 0,079 palce neboli 4,95 × 2,00 mm (obrázek 3).

Obrázek 3: Fyzické rozměry kondenzátoru MLCC 1808JA250101JKTSYX (vlevo) spolu s doporučeným rozložením pájecí podložky (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost Knowles Syfer)

Typickým kondenzátorem X7R je model 1812Y2K00103KST společnosti Knowles Syfer, zařízení s 10 000 pF ±10 %, 2 kV v pouzdře 1812 o rozměrech 4,5 × 3,2 × 2,5 mm. Oba typy kondenzátorů, 1808JA250101JKTSYX a 1812Y2K00103KST, mají rozsah jmenovité teploty −55 °C až +125 °C. Produktová řada je v závislosti na použitém dielektriku, hodnotě kapacity a jmenovitém napětí k dispozici ve velikostech pouzder 1808, 1812, 2211, 2215 a 2220.

Mezi další příklady patří model 1808JA250101JKTS2X společnosti Knowles Syfer, kondenzátor C0G/NP0 100 pF, 250 V AC (třída X2), 1 kV DC s tolerancí ±5 %. Model 2220YA250102KXTB16 je 250voltový kondenzátor X7R 1 000 pF ±10 %.

Všimněte si, že výrobní požadavky na montáž a pájení kondenzátorů se zakončením FlexiCap jsou stejné jako u kondenzátorů MLCC se standardním slinutým zakončením, takže nevyžadují zvláštní manipulaci. Kromě toho, a znovu s odkazem na obrázek 3, lze čipové kondenzátory společnosti Knowles namontovat pomocí rozložení podložek, které odpovídají normě IPC-7351 „Obecné požadavky na návrh povrchové montáže a standardy půdorysů“. Kromě toho bylo prokázáno, že mechanické namáhání snižují další faktory, jako je snížení šířky podložky na méně, než je šířka čipu.

Závěr

Kondenzátory MLCC společnosti Knowles Syfer se zakončením Flexicap a kvalifikací AEC-Q200 jsou vhodné pro aplikace elektromobilů, zejména 800voltové bateriové systémy, kde je nezbytné zvýšené testovací napětí a bezpečnostní rezerva pro zvládnutí přepětí a přechodových podmínek. Díky zakončení FlexiCap jsou kondenzátory schopné zvládnout vyšší úrovně mechanického namáhání. Jako takové a splňující požadavky normy AEC-Q200 nabízejí konstruktérům jedinečnou kombinaci funkcí, stability a certifikované bezpečnosti.