Veilig en betrouwbaar opladen van EV's garanderen met behulp van meerlagige keramische condensators met flexibele afsluitingen

Hoewel de hoeveelheid elektronica in voertuigen snel toeneemt, heeft de industrie zich vooral gericht op sensors, motorbesturingseenheden (ECU's), navigatie, connectiviteit in de cabine, audio en geavanceerde ondersteuningssystemen voor de bestuurder (ADAS). Nu elektrische voertuigen (EV's) gemeengoed worden, zijn hoogspannings-, hoogbetrouwbare elektronische onderdelen die meer dan 800 volt kunnen verdragen en tegelijk voldoen aan strenge milieuvereisten van cruciaal belang geworden. Deze noodzaak geldt tot op het niveau van de condensator.

Naast het voldoen aan standaarden zoals AEC-Q200 voor spanningsbestendigheid, moeten auto-ontwerpers die condensators selecteren rekening houden met veel fysieke en elektrische eigenschappen, afhankelijk van de specifieke toepassing. Condensators met nauwe toleranties en stabiele temperatuurcoëfficiënten zijn nodig voor terugkoppellussen. In hoogfrequente toepassingen moet de equivalente serie-inductantie (ESL) laag zijn. In vermogenstoepassingen zijn onderdelen met een lage equivalente serieweerstand (ESR) nodig als er hoge rimpelstromen worden verwacht. Voor EV's is het minimaliseren van grootte en gewicht ook belangrijk.

Om aan deze eisen te voldoen, zijn er nu veiligheidsgecertificeerde meerlagige keramische condensators (MLCCs) voor opbouwmontage verkrijgbaar die voldoen aan meerdere internationale veiligheidsspecificaties en certificeringen, waaronder AEC-Q200.

Dit artikel beschrijft de structuur van MLCC-condensators en wat er van MLCC's voor EV's wordt gevraagd. Vervolgens wordt getoond hoe de inherente afmetingen en volumetrische efficiëntie, evenals eigenschappen als FlexiCap-afsluiting en hoge weerstandsspanningen, MLCC's helpen te voldoen aan de fysieke en elektrische vereisten. Er worden praktijkvoorbeelden van Knowles Syfer gegeven.

De structuur van MLCC's

MLCC's zijn condensators voor opbouwmontage die bestaan uit meerdere afzonderlijke condensatorelementen die verticaal zijn gestapeld en parallel zijn verbonden door de eindafsluitingen. Vandaar de term meerlagig (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Een dwarsdoorsnede van de structuur van een MLCC toont meerdere condensatorlagen gestapeld in een gemeenschappelijke behuizing. (Bron afbeelding: Knowles Syfer)

Om een MLCC te maken, worden lagen van het keramische diëlektricum opgebouwd met behulp van een zeefproces, afgewisseld met elektroden met wisselende polariteit. Hierdoor kan een zeer groot aantal lagen worden gemaakt. De parallelle verbinding van deze meerdere positieve (+) en negatieve (-) elektrodeparen maakt het mogelijk om grote capaciteitswaarden te maken in een relatief kleine behuizing.

De elektroden zijn van metaal en zeer sterk geleidend. Het productieproces vereist dat de elektroden chemisch niet reactief zijn en een hoog smeltpunt hebben. Hiervoor gebruiken de Knowles Syfer MLCC condensators een combinatie van elektroden van zilver en palladium.

Diëlektrica moeten ook goede isolatoren zijn. De relatieve permittiviteit of diëlektrische constante (e_r) bepaalt de haalbare capaciteit voor een bepaalde geometrie van een component. Knowles Syfer MLCC's met verbeterd veiligheidscertificaat voor opbouwmontage worden bijvoorbeeld geleverd met twee klassen keramische diëlektrica. De eerste is C0G/NP0, een EIA klasse 1-diëlektricum dat een permittiviteit heeft tussen 20 en 100, ten opzichte van de permittiviteit van een vacuüm dat een e_r van 0 heeft. De tweede is X7R, een EIA klasse 2-diëlektricum, met een e_r tussen 2000 en 3000. Ter vergelijking: de e_r van mica is 5,4 en die van plastic folie is 3. De keramische condensator zal dus kleiner zijn voor een gegeven capaciteitswaarde. De keuze van het diëlektricum beïnvloedt de stabiliteit van de condensator met betrekking tot temperatuur, toegepaste spanning en tijd. Over het algemeen geldt: hoe hoger de e_r, hoe minder stabiel de capaciteitswaarde.

De EIA classificeert klasse 2-diëlektrica met een alfanumerieke classificatie. De eerste letter geeft de minimumtemperatuur aan, het cijfer geeft de maximumtemperatuur aan en de laatste letter beschrijft de capaciteitstolerantie. Het diëlektricum X7R heeft een minimumtemperatuur van -55°C, een maximumtemperatuur van +125°C en een capaciteitstolerantie van ±15%. Klasse 1-diëlektrica zoals C0G hebben een vergelijkbare codering. Het eerste teken, een letter, geeft de significante waarde van de capaciteitsverandering met de temperatuur in deeltjes per miljoen per graad Celsius (ppm/°C). Bij het C0G-diëlektricum staat de C voor een significant getal van nul ppm/°C voor temperatuurstabiliteit. Het tweede getal is de vermenigvuldigingsfactor voor de temperatuurstabiliteit. De 0 geeft een vermenigvuldigingsfactor van 10^-1 aan. De laatste letter, G, definieert de capaciteitsfout van ±30 ppm.

Klasse 1-diëlektrica bieden een hogere nauwkeurigheid en stabiliteit. Ze vertonen ook lagere verliezen. Klasse 2-diëlektrica zijn minder stabiel maar bieden een hogere volumetrische efficiëntie, waardoor ze een grotere capaciteit per volume-eenheid hebben. Daarom gebruiken MLCC-condensators met een hogere waarde over het algemeen klasse 2-diëlektrica. De Knowles Syfer MLCC's met verbeterd veiligheidscertificaat hebben een hoog capaciteitsbereik van 4,7 picofarad (pF) tot 56 nanofarad (nF), afhankelijk van het gekozen diëlektricum, en spanningswaarden tot 305 volt wisselstroom (VAC).

De capaciteit van een MLCC is recht evenredig met het overlappende oppervlak van de elektrodes en de e_r van het keramische diëlektricum. De capaciteit is omgekeerd evenredig met de dikte van het diëlektricum, terwijl de spanningswaarde evenredig is met de dikte van het diëlektricum. Er is dus een wisselwerking tussen de capaciteit, de spanningswaarde en de fysieke grootte van de condensator.

MLCC's voor EV's

MLCC's hebben een relatief lage ESL en ESR, waardoor ze beter geschikt zijn voor hoogfrequente toepassingen, en met een ruime keuze aan diëlektrica kunnen de capaciteitswaarden en het tolerantiebereik worden geoptimaliseerd voor de toepassing. Het zijn opbouwcomponenten met een zeer volumetrisch efficiënte behuizing, waardoor ze een oplossing bieden voor de beperkte ruimte in EV's. Ze zijn ook zeer goed bestand tegen spanningstransiënten in vergelijking met aluminium elektrolytische en tantaalcondensators.

Hoewel MLCC's veel worden gebruikt, kunnen ze barsten als ze worden blootgesteld aan mechanische spanning door trillingen of schokken. Barsten maken het apparaat vatbaar voor degradatie door besmetting met vocht. De ontwerpers van Knowles Syfer hebben dit probleem aangepakt door FlexiCap-afsluitingen te maken die een grotere tolerantie bieden voor buiging van componenten (afbeelding 2).

Afbeelding 2: Het FlexiCap-ontwerp maakt gebruik van een eigen flexibele epoxy polymeer afsluitingsbasis onder de gebruikelijke eindkapbarrière om meer weerstand te bieden tegen schade door doorbuiging van de printplaat. (Bron afbeelding: Knowles Syfer)

De flexibele afsluitbasis die in FlexiCap wordt gebruikt, wordt over de elektroden aangebracht. Dit materiaal is een met zilver geladen epoxy polymeer dat wordt aangebracht met conventionele afsluitingstechnieken en vervolgens met hitte wordt uitgehard. Het is flexibel en absorbeert een deel van de mechanische spanning tussen de printplaat en de gemonteerde MLCC.

Het resultaat is dat onderdelen met FlexiCap bestand zijn tegen een grotere mechanische belasting in vergelijking met onderdelen met een gesinterde afsluiting. FlexiCap biedt ook een betere bescherming tegen mechanisch barsten en in toepassingen waarin snelle temperatuurschommelingen voorkomen. Voor ontwerpers van EV's is het resultaat een grotere mate van buigtolerantie bij de verwerking van in-process printplaten, wat leidt tot een hogere opbrengst en minder defecten in het veld.

Ook belangrijk voor EV's is dat de Knowles Syfer veiligheidsgecertificeerde condensators beschikbaar zijn met AEC-Q200 kwalificatie. Onderdelen worden als "AEC-Q200 gekwalificeerd" beschouwd als ze de strenge reeks stresstests voor onder andere temperatuur, thermische schok, vochtbestendigheid, maattolerantie, bestendigheid tegen oplosmiddelen, mechanische schokken, trillingen, elektrostatische ontlading, soldeerbaarheid en printplaatdoorbuiging hebben doorstaan.

Elektrisch gezien heeft de lijn met veiligheidscertificaten een hoge diëlektrische weerstandsspanning (DWV) van 4 kilovolt gelijkstroom (kV_DC) en 3 kV_RMS. Dit zijn kritieke eigenschappen voor EV 800 volt-laadsystemen waar brede test- en veiligheidsmarges nodig zijn.

Voorbeelden van MLCC's voor EV's

Van de Knowles Syfer-lijn met verbeterde veiligheidscertificaten is een breed scala aan condensatorwaarden voorzien van zowel Flexicap-afsluiting als AEC-Q200-kwalificatie, waardoor ze bijzonder geschikt zijn voor EV-toepassingen. De 1808JA250101JKTSYX is bijvoorbeeld een 100 pF C0G/NP0-condensator met een nominale spanning van 250 volt AC voor Klasse Y2 (lijn naar aarde)-toepassingen, en 305 volt AC in Klasse X1 (lijn naar lijn)-toepassingen, met een tolerantie van ±5%. Hij zit in een 1808-behuizing met afmetingen van 0,195 x 0,079 inch, oftewel 4,95 x 2,00 millimeter (mm) (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: De afmetingen van de 1808JA250101JKTSYX-MLCC (links) en de aanbevolen soldeerpadindeling (rechts). (Bron afbeelding: Knowles Syfer)

Een typische X7R-condensator is de Knowles Syfer 1812Y2K00103KST, een 10000 pF ±10% 2 kV-apparaat in een 1812-behuizing met afmetingen van 4,5 x 3,2 x 2,5 mm. Zowel de condensatortypes 1808JA250101JKTSYX als 1812Y2K00103KST hebben een nominaal temperatuurbereik van -55°C tot +125°C. De productlijn is verkrijgbaar in behuizingsformaten 1808, 1812, 2211, 2215 en 2220, afhankelijk van het gebruikte diëlektricum, de capaciteitswaarde en de spanningswaarde.

Andere voorbeelden zijn de Knowles Syfer 1808JA250101JKTS2X, een 100 pF, 250 volt AC (Klasse X2), 1 kV DC, C0G/NP0-condensator met een tolerantie van ±5%. De 2220YA250102KXTB16 is een 1000 pF ±10% 250 volt X7R-condensator.

De productievereisten voor het monteren en solderen van condensators met FlexiCap-afsluiting zijn identiek aan die voor een MLCC met een standaard gesinterde afsluiting, dus ze vereisen geen speciale behandeling. Bovendien, opnieuw onder verwijzing naar afbeelding 3, kunnen Knowles-chipcondensators worden gemonteerd met pad lay-outs die voldoen aan IPC-7351, Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standards. Daarnaast is aangetoond dat andere factoren de mechanische spanning verminderen, zoals het verkleinen van de padbreedte tot minder dan de chipbreedte.

Conclusie

De Knowles Syfer Flexicap AEC-Q200-gekwalificeerde MLCC's zijn zeer geschikt voor EV-toepassingen, met name 800-volt accusystemen waar een verhoogde testspanning en veiligheidsmarge voor piek- en transiënte omstandigheden essentieel is. De FlexiCap-afsluiting zorgt ervoor dat de condensators een grotere mechanische belasting aankunnen. Als zodanig, en in overeenstemming met AEC-Q200, bieden ze ontwerpers een unieke combinatie van vermogen, stabiliteit en veiligheidscertificering.