Sørg for sikker og pålidelig opladning af elbiler ved hjælp af keramiske kondensatorer i flere lag med fleksible termineringer

Mens mængden af elektronik i biler stiger hurtigt, har branchens fokus været på sensorer, motorstyringsenheder (ECU'er), navigation, tilslutningsmuligheder i kabinen, lyd og avancerede førerassistentsystemer (ADAS). Efterhånden som elbiler bliver mainstream, er det blevet afgørende med højspændings- og højpålidelige elektroniske komponenter, der kan tåle op til 800 volt og samtidig opfylde strenge miljøkrav. Dette behov gælder helt ned på kondensatorniveau.

Ud over at overholde standarder som AEC-Q200 for stressresistens skal bildesignere, der vælger kondensatorer, overveje mange fysiske og elektriske egenskaber afhængigt af den specifikke anvendelse. Kondensatorer med snæver tolerance og stabile temperaturkoefficienter er påkrævet til feedbacksløjfer. I højfrekvente applikationer skal den ækvivalente serieinduktans (ESL) være lav. I energiapplikationer er der brug for komponenter med lav ækvivalent seriemodstand (ESR), hvis man forventer høje rippel-strømme. For elbiler er det også vigtigt at minimere størrelse og vægt.

For at imødekomme disse krav findes der nu sikkerhedscertificerede overflademonterede keramiske flerlagskondensatorer (MLCC'er), som overholder flere internationale sikkerhedsspecifikationer og certificeringer - herunder AEC-Q200.

Denne artikel beskriver opbygningen af MLCC-kondensatorer, og hvad der kræves af MLCC'er til elbiler. Derefter vises det, hvordan den iboende størrelse og volumetriske effektivitet samt funktioner som FlexiCap-terminering og høje modstandsspændinger hjælper MLCC'er med at opfylde de fysiske og elektriske krav. Der er eksempler fra den virkelige verden fra Knowles Syfer.

Strukturen af MLCC'er

MLCC'er er overflademonterede kondensatorer, der består af flere individuelle kondensatorelementer, der er stablet lodret og forbundet parallelt ved endeafslutningerne. Deraf udtrykket flerlag (figur 1).

Figur 1: Et tværsnit af strukturen i en MLCC viser flere kondensatorlag stablet i en fælles pakke. (Billedkilde: Knowles Syfer)

For at konstruere en MLCC opbygges lag af det keramiske dielektrikum ved hjælp af en screeningproces skiftevis med elektroder af skiftende polaritet. Det gør det muligt at skabe et meget stort antal lag. Parallelforbindelsen af disse positive (+) og negative (-) par med flere elektroder gør det muligt at fremstille store kapacitansværdier i en relativt lille pakke.

Elektroderne er metalliske og meget ledende. Fremstillingsprocessen kræver, at elektroderne er kemisk ureaktive og har et højt smeltepunkt. Derfor bruger Knowles Syfer MLCC-kondensatorer en kombination af sølv og palladium som elektroder.

Dielektrika skal også være gode isolatorer. Den relative permittivitet eller dielektriske konstant (e_r) - bestemmer den opnåelige kapacitans for en given komponentgeometri. For eksempel fås Knowles Syfer forbedrede sikkerhedscertificerede overflademonterede MLCCs er med to klasser af keramiske dielektrika. Den første er C0G/NP0, et dielektrikum i EIA-klasse 1, som har en permittivitet på mellem 20 og 100 i forhold til permittiviteten i et vakuum, som har en e_r på 0. Den anden er X7R, et EIA klasse 2 dielektrikum, med en e_r på mellem 2000 og 3000. Til sammenligning e_r for mica 5,4, og for plastfilm 3. Så den keramiske kondensator vil være mindre for en given kapacitansværdi. Valget af dielektrikum påvirker kondensatorens stabilitet i forhold til temperatur, anvendt spænding og tid. Generelt gælder det, at jo højere e_r, jo mindre stabiler kapacitansværdien.

EIA klassificerer klasse 2 dielektrika med en alfanumerisk klassifikation. Det første bogstav angiver minimumstemperaturen, tallet angiver maksimumstemperaturen, og det sidste bogstav beskriver kapacitanstolerancen. X7R-dielektrikumet afkodes til at have en minimumstemperatur på -55 °C, en maksimumstemperatur på +125 °C og en kapacitanstolerance på ±15 %. Klasse 1 dielektrikum som C0G har en lignende kodning. Det første tegn, et bogstav, angiver det signifikante tal for kapacitansændringen med temperaturen i dele pr. million pr. grad Celsius (ppm/°C). For C0G-dielektrikumet repræsenterer C et signifikant tal på nul ppm/°C for temperaturstabilitet. Det andet tal er multiplikatoren for temperaturstabiliteten. Et 0 angiver en multiplikator på 10^-1. Det sidste bogstav, G, definerer kapacitansfejlen på ±30 ppm.

Klasse 1 dielektrikum giver højere nøjagtighed og stabilitet. De udviser også lavere tab. Klasse 2-dielektrika er mindre stabile, men har højere volumetrisk effektivitet, hvilket giver større kapacitans pr. volumenenhed. Derfor bruger MLCC-kondensatorer med højere værdi generelt klasse 2-dielektrikum. Knowles Syfers forbedrede sikkerhedscertificerede MLCC'er har en høj kapacitans fra 4,7 picofarads (pF) til 56 nanofarads (nF), afhængigt af valget af dielektrikum, og spændingsværdier op til 305 volt vekselstrøm (VAC).

Kapacitansen i en MLCC er direkte proportional med elektrodernes overlappende areal samt e_r af det keramiske dielektrikum. Kapacitansen er omvendt proportional med tykkelsen af dielektrikumet, mens spændingen er proportional med den. Som sådan er der kompromiser mellem kapacitansen, spændingen og kondensatorens fysiske størrelse.

MLCC'er til elbiler

MLCC'er har relativt lav ESL og ESR, hvilket gør dem bedre egnet til højfrekvente applikationer, og med et bredt udvalg af dielektrika kan kapacitansværdierne og toleranceområdet optimeres til applikationen. De er overflademonterede komponenter med meget volumetrisk effektive pakker, hvilket hjælper dem med at håndtere pladsbegrænsninger i elbiler. De er også meget modstandsdygtige over for spændingstransienter sammenlignet med elektrolytiske aluminium- og tantal-kondensatorer.

MLCC'er er meget udbredte, men hvis de udsættes for mekanisk belastning som følge af vibrationer eller stød, kan de revne. Revner åbner enheden op for nedbrydning gennem fugtforurening. Knowles Syfers designere har løst dette problem ved at skabe FlexiCap-afslutninger, der giver øget tolerance over for komponentbøjning (figur 2).

Figur 2: FlexiCap-designet bruger en proprietær fleksibel epoxy-polymer-termineringsbase under den sædvanlige end-cap-barriere for at give større modstandsdygtighed over for skader på grund af bøjning af pladen. (Billedkilde: Knowles Syfer)

Den fleksible termineringsbase, der bruges i FlexiCap, anbringes over elektroderne. Dette materiale er en sølvbelagt epoxypolymer, der påføres ved hjælp af konventionelle termineringsteknikker og derefter varmehærdes. Den er fleksibel og absorberer noget af den mekaniske belastning mellem printpladen og den monterede MLCC.

Det betyder, at komponenter, der er afsluttet med FlexiCap, kan modstå større mekaniske belastninger sammenlignet med sintrede komponenter. FlexiCap giver også forbedret beskyttelse mod mekanisk revnedannelse og i applikationer, hvor der forekommer hurtige temperaturændringer. For designere af elbiler er resultatet en større grad af bøjningstolerance i håndteringen af printkort i processen, hvilket betyder øget udbytte og færre fejl i marken.

Knowles Syfers sikkerhedscertificerede kondensatorer er også vigtige for elbiler og fås med AEC-Q200-kvalifikation. Dele anses for at være "AEC-Q200-kvalificerede", hvis de har bestået den strenge række stresstest for bl.a. temperatur, termisk chok, fugtbestandighed, dimensionstolerance, modstandsdygtighed over for opløsningsmidler, mekanisk chok, vibration, elektrostatisk afladning, lodbarhed og kortfleksibilitet.

Elektrisk har den sikkerhedscertificerede linje en høj dielektrisk modstandsspænding (DWV) på 4 kilovolt jævnstrøm (kV_DC) og 3 kV_rms. Disse er kritiske egenskaber for EV 800 volt ladesystemer, hvor der er behov for brede test- og sikkerhedsmargener.

Eksempler på MLCC'er til elbiler

Fra Knowles Syfers serie med forbedret sikkerhedscertificering er der en bred vifte af kondensatorværdier med både Flexicap-terminering og AEC-Q200-kvalificering, hvilket gør dem særligt velegnede til EV-applikationer. For eksempel er 1808JA250101JKTSYX en 100 pF C0G/NP0-kondensator med en spændingsvurdering på 250 volt AC i klasse Y2 (linje til jord) og 305 volt AC i klasse X1 (linje til linje) med en tolerance på ±5 %. Den er indkapslet i en 1808-pakke med målene 0,195 x 0,079 tommer, eller 4,95 x 2,00 millimeter (mm) (figur 3).

Figur 3: Her ses de fysiske dimensioner af 1808JA250101JKTSYX MLCC (til venstre) sammen med det anbefalede loddepad-layout (til højre). (Billedkilde: Knowles Syfer)

En typisk X7R-kondensator er Knowles Syfer 1812Y2K00103KST, en 10000 pF ±10 % 2 kV-enhed i en 1812-pakke med dimensionerne 4,5 x 3,2 x 2,5 mm. Både kondensatortyperne 1808JA250101JKTSYX og 1812Y2K00103KST har et nominelt temperaturområde på -55 °C til +125 °C. Produktserien fås i kabinetstørrelserne 1808, 1812, 2211, 2215 og 2220, afhængigt af det anvendte dielektrikum, kapacitansværdien og spændingen.

Andre eksempler er Knowles Syfer 1808JA250101JKTS2X, en 100 pF, 250 volt AC (klasse X2), 1 kV DC, C0G/NP0-kondensator med en tolerance på ±5 %. 2220YA250102KXTB16 er en 1000 pF ±10 % 250 volt X7R-kondensator.

Bemærk, at fremstillingskravene til montering og lodning af FlexiCap-terminerede kondensatorer er identiske med dem for en MLCC med en sintret standardterminering, så de kræver ikke særlig håndtering. Derudover, og med henvisning til figur 3 igen, kan Knowles-chipkondensatorer monteres ved hjælp af pad-layouts, der er i overensstemmelse med IPC-7351, Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standards. Derudover har andre faktorer vist sig at reducere den mekaniske belastning, f.eks. ved at reducere padbredden til mindre end chipbredden.

Konklusion

Knowles Syfer Flexicap AEC-Q200-kvalificerede MLCC'er er velegnede til EV-applikationer, især 800 volt batterisystemer, hvor en øget testspænding og sikkerhedsmargin til at håndtere overspænding og transiente forhold er afgørende. FlexiCap-termineringen gør kondensatorerne i stand til at håndtere større niveauer af mekanisk belastning. Som sådan, og i overensstemmelse med AEC-Q200, tilbyder de designere en unik kombination af kapacitet, stabilitet og sikkerhedscertificering.