Projektowanie

Bezpieczne ładowanie pojazdów elektrycznych dzięki kondensatorom ceramicznym z elastycznymi wyprowadzeniami

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.

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).

Diagram przedstawiający przekrój struktury kondensatora MLCC

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 (er) - 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 er wynosi 0. Drugi to X7R, dielektryk klasy 2 EIA, dla którego er mieści się między 2000 a 3000. Dla porównania, er 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 er, 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 er 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.

Strona: 1/2
Następna