Säker och tillförlitlig laddning av elfordon med keramiska kondensatorer med flera lager och flexibla anslutningar

Samtidigt som mängden elektronik i fordon ökar snabbt, har branschen tenderat att fokusera på givare, motorstyrenheter (ECU), navigering, anslutningsmöjligheter i kupén, ljud och avancerade förarassistanssystem (ADAS). I takt med att elfordon blir allt vanligare har det blivit allt viktigare med tillförlitliga elektroniska komponenter som klarar upp till 800 V, samtidigt som de uppfyller stränga miljökrav. Detta behov gäller ända ner på kondensatornivå.

Förutom att uppfylla standarder, som t.ex. AEC-Q200 för belastningsresistans, måste fordonskonstruktörer som väljer kondensatorer ta hänsyn till många fysiska och elektriska egenskaper beroende på den specifika tillämpningen. För återkopplingsslingor krävs kondensatorer med en snäv tolerans och stabila temperaturkoefficienter. I högfrekventa tillämpningar måste den ekvivalenta serieinduktansen (ESL) vara låg. I tillämpningar med ström behövs komponenter med låg ekvivalent serieresistans (ESR) om man förväntar sig höga rippelströmmar. För elfordon är det också viktigt att minimera storlek och vikt.

Säkerhetscertifierade, ytmonterade, keramiska kondensatorer med flera lager (MLCC) som uppfyller flera internationella säkerhetsspecifikationer och certifieringar, inklusive AEC-Q200, finns tillgängliga för att möta dessa krav.

Artikeln beskriver strukturen hos MLCC-kondensatorer och vilka krav som ställs på MLCC:er som används i elfordon. Därefter visas hur det inbyggda måttet och volymetrisk effektivitet, liksom egenskaper som FlexiCap-anslutning och höga genombrottsspänningar, hjälper MLCC:er att uppfylla de fysiska och elektriska kraven. Exempel från verkligheten visas av Knowles Syfer.

Strukturen hos en MLCC

MLCC:er är ytmonterade kondensatorer som består av flera enskilda kondensatorelement kondensatorer som är staplade vertikalt och parallellkopplade vid ändarnas anslutningar. Därav termen flera lager (figur 1).

Figur 1: Ett tvärsnitt av strukturen ien MLCC visar flera kondensatorlager kondensatorer staplade i en generell kapsling. (Bildkälla: Knowles Syfer)

För att konstruera en MLCC byggs lager av keramiskt dielektrikum upp med hjälp av en screentryckningsprocess och omväxlande lager av elektroder med växlande polaritet. Det gör det möjligt att skapa ett mycket stort antal lager. Parallellkopplingen av dessa positiva (+) och negativa (-) elektrodpar gör det möjligt att tillverka höga kapacitansvärden i en relativt liten kapsling.

Elektroderna är metalliska och har hög ledningsförmåga. Tillverkningsprocessen kräver att elektroderna är kemiskt icke-reaktiva och att de har en hög smältpunkt. MLCC från Knowles Syfer använder därför elektroder med en kombination av silver och palladium.

Dielektrikumet måste även vara en god isolator. Den relativa permitiviteten - eller dielektricitetskonstanten (e_r) - avgör vilken kapacitans som kan uppnås för en viss komponents geometri. Förbättrade, säkerhetscertifierade och ytmonterade MLCC:er från Knowles Syfer finns till exempel med två klasser av keramiskt dielektrikum. Det första är C0G/NP0, ett dielektrikum enligt EIA klass 1, som har en permittivitet på mellan 20 och 100, i förhållande till permittiviteten i vakuum som har ett e_r på 0. Det andra är X7R, ett dielektrikum enligt EIA klass 2, med en e_r på mellan 2 000 och 3 000. Som en jämförelse är e_r för glimmer 5,4 och för plastfilm 3. Den keramiska kondensatorn blir därför mindre vid ett givet kapacitansvärde. Valet av dielektrikum påverkar kondensatorns stabilitet avseende temperatur, tillförd spänning och tid. Generellt gäller att ju högre e_r är desto mindre stabilt är kapacitansvärdet.

EIA klassificerar dielektrikum i klass 2 med en alfanumerisk klassificering. Den första bokstaven anger den lägsta temperaturen, siffran anger den högsta temperaturen och den sista bokstaven beskriver toleransen. Dielektrikum X7R har en lägsta temperatur på -55 °C, en högsta temperatur på +125 °C och en tolerans på ±15 %. Dielektrikum i klass 1 som t.ex. C0G har en liknande kodning. Det första tecknet, en bokstav, anger den signifikanta siffran för kapacitansens temperaturförändring i ppm/°C (delar per miljon per grad Celsius). För dielektrikumet C0G representerar C:et en signifikant siffra på noll ppm/°C för temperaturstabilitet. Det andra talet är multiplikatorn för temperaturstabiliteten. Siffran 0 anger en multiplikator på 10^-1. Den sista bokstaven, G, definierar kapacitansens felmarginal på ±30 ppm.

Dielektrikum i klass 1 har en högre noggrannhet och stabilitet. De uppvisar också lägre förluster. Dielektrikum i klass 2 är mindre stabila men har högre volymeffektivitet, vilket ger högre kapacitans per volymenhet. Följaktligen använder MLCC med högre värden i allmänhet dielektrikum av klass 2. Knowles Syfers förbättrade säkerhetscertifierade MLCC har ett högt kapacitansområde på mellan 4,7 till 56 nF, beroende på val av dielektrikum, och spänningsvärden på upp till 305 V AC.

Kapacitansen hos en MLCC är direkt proportionell mot elektrodernas överlappande yta samt e_r för det keramiska dielektrikumet. Kapacitansen är omvänt proportionell mot tjockleken på dielektrikumet medan spänningen är proportionell mot den. Därför finns det kompromisser mellan kapacitans, spänning och kondensatorns faktiska storlek.

MLCC:er för elfordon

MLCC:er har relativt låg ESL och ESR vilket gör dem bättre lämpade för tillämpningar med höga frekvenser och med ett brett urval av dielektrikum kan kapacitansvärde och toleransområde optimeras för tillämpningen. De är ytmonterade komponenter med mycket volymeffektiva kapslingar, vilket gör det lättare att hantera utrymmesbegränsningar i elfordon. De är också mycket motståndskraftiga mot transienter i jämförelse med elektrolytiska aluminium- och tantalkondensatorer.

Även om MLCC:er används i stor utsträckning, kan de spricka om de utsätts för mekanisk påfrestning på grund av vibrationer eller stötar. Sprickor gör att enheten kan skadas genom kontaminering av fukt. Konstruktörer hos Knowles Syfer har löst detta problem genom att skapa ändanslutningar med FlexiCap som ger ökad tolerans mot komponentböjning (figur 2).

Figur 2: Konstruktionen med FlexiCap använder en egenutvecklad flexibel anslutningsbas av epoxipolymer under det vanliga ändlocket för att ge större motståndskraft mot skador på grund av böjning av kortet. (Bildkälla: Knowles Syfer)

Den flexibla anslutningsbasen som används i FlexiCap appliceras över elektroderna. Materialet är en silverladdad epoxipolymer som appliceras med konventionella anslutningsteknologier och sedan härdas med värme. Den är flexibel och tar upp en del av den mekaniska påfrestningen mellan kortet och den monterade MLCC:n.

Det innebär att komponenter som använder FlexiCap klarar högre nivåer av mekanisk påfrestning jämfört med komponenter som har sintrade anslutningar. FlexiCap ger också förbättrat skydd mot mekaniska sprickor och i tillämpningar där snabba temperaturförändringar förekommer. För konstruktörer av elfordon är resultatet en högre grad av tolerans för kortböjning under processen, vilket leder till ökad avkastning och färre fel på fältet.

Säkerhetscertifierade kondensatorer från Knowles Syfer finns tillgängliga med AEC-Q200-godkännande, vilket är viktigt för elfordon. Delar anses vara "AEC-Q200-godkända" om de har klarat de stränga stresstesterna för bland annat temperatur, termisk chock, fuktbeständighet, måtttolerans, beständighet mot lösningsmedel, mekaniska stötar, vibrationer, elektrostatiska urladdningar, lödbarhet och böjbarhet hos kretskortet.

Elektriskt har den säkerhetscertifierade produktserien en hög genombrottsspänning på 4 kV_DC och 3 kV_RMS. Detta är viktiga egenskaper för elfordonens laddningssystem på 800 V där det krävs breda test- och säkerhetsmarginaler.

Exempel på MLCC:er för elfordon

Produktserien med förbättrad säkerhetscertifiering från Knowles Syfer har ett brett utbud av kondensatorvärden med både Flexicap-anslutningar och AEC-Q200-godkännande, vilket gör dem särskilt lämpade för tillämpningar i elfordon. Exempel: 1808JA250101JKTSYX är en 100 pF C0G/NP0-kondensator med en märkspänning på 250 V AC för tillämpningar i klass Y2 (matning till jord) och 305 V AC för tillämpningar i klass X1 (matning till matning), med en tolerans på ±5 %. Den är inrymd i en 1808-kapsling med måtten 0,195 x 0,079 tum, eller 4,95 x 2,00 mm (figur 3).

Figur 3: Här visas de fysiska måtten för 1808JA250101JKTSYX MLCC (vänster) tillsammans med den rekommenderade layouten för lödpunkter (höger). (Bildkälla: Knowles Syfer)

En vanlig X7R-kondensator från Knowles Syfer är 1812Y2K00103KST, en enhet med 10 000 pF ±10% och 2 kV i en 1812-kapsling med måtten 4,5 x 3,2 x 2,5 mm. Kondensatorerna 1808JA250101JKTSYX och 1812Y2K00103KST har båda ett nominellt temperaturområde på -55 °C till +125 °C. Produktserien finns i storlekarna 1808, 1812, 2211, 2215 och 2220, beroende på vilket dielektrikum som används, kapacitansvärde och märkspänning.

Andra exempel är 1808JA250101JKTS2X från Knowles Syfer, en kondensator på 100 pF, 250 V AC (klass X2), 1 kV DC, C0G/NP0 med en tolerans på ±5%. 2220YA250102KXTB16 är en X7R-kondensator på 1000 pF, ±10% och 250 V.

Observera att tillverkningskraven för montering och lödning av kondensatorer med FlexiCap-anslutning är identiska med de för en MLCC som har en vanlig sintrad anslutning så de kräver ingen särskild hantering. Dessutom, och med hänvisning till figur 3 igen, kan Knowles kretskondensatorer monteras med layouter för lödpunkter som överensstämmer med IPC-7351, Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standards. Utöver detta har andra faktorer visat sig minska den mekaniska påfrestningen, t.ex. att minska bredden för lödpunkterna till mindre än kretsens bredd.

Sammanfattning

MLCC från Knowles Syfer som är godkända enligt AEC-Q200 och har Flexicap-anslutningar är väl lämpade för tillämpningar i elfordon, särskilt i batterisystem på 800 V där en ökad testspänning och säkerhetsmarginal för att hantera överspännings- och transientförhållanden är avgörande. FlexiCap-anslutningarna medför att kondensatorerna klarar högre nivåer av mekanisk påfrestning. De uppfyller kraven i AEC-Q200 och erbjuder konstruktörer en unik kombination av kapacitet, stabilitet och säkerhetscertifiering.