Sikre trygg og pålitelig lading av elbiler ved å bruke flerlags keramiske kondensatorer med fleksible termineringer

Selv om mengden elektronikk i biler øker raskt, har bransjen hatt en tendens til å fokusere på sensorer, motorstyringsenheter (ECU – engine control unit), navigasjon, tilkoblingsmuligheter i kupeen, lyd og avanserte førerassistentsystemer (ADAS – advanced driver assistance systems). I takt med at elbiler blir mer og mer vanlige, blir det stadig viktigere med høyspente og pålitelige elektroniske komponenter som kan håndtere opptil 800 volt og samtidig oppfylle strenge miljøkrav. Dette gjelder helt ned på kondensatornivå.

I tillegg til å overholde standarder som AEC-Q200 for strekkspenningsmotstand, må bilkonstruktører som velger kondensatorer ta hensyn til mange fysiske og elektriske egenskaper avhengig av den spesifikke konstruksjonen. Kondensatorer med liten toleranse og stabile temperaturkoeffisienter kreves for tilbakekoblingssløyfer. I høyfrekvente konstruksjoner må den ekvivalente serieinduktansen (ESL – equivalent series inductance) være lav. I strømkonstruksjoner er det nødvendig med komponenter med lav ekvivalent seriemotstand (ESR) hvis man forventer høye rippelstrømmer. For elbiler er det også viktig å minimere størrelse og vekt.

For å imøtekomme disse kravene finnes det nå sikkerhetssertifiserte overflatemonterte flerlags keramikkondensatorer (MLCC – multilayer ceramic capacitor) som oppfyller en rekke internasjonale sikkerhetsspesifikasjoner og sertifiseringer, inkludert AEC-Q200.

Denne artikkelen beskriver strukturen til MLCC-kondensatorer og hva som kreves av MLCC-er for elbiler. Deretter viser den hvordan den iboende størrelsen og volumvirkningsgraden, samt funksjoner som FlexiCap-terminering og høye holdespenninger, bidrar til at MLCC-er oppfyller de fysiske og elektriske kravene. Det gis virkelige eksempler fra Knowles Syfer.

Strukturen til MLCC-er

MLCC-er er overflatemonterte kondensatorer som omfatter flere individuelle kondensatorelementer stablet vertikalt og koblet parallelt av endetermineringene. Derav begrepet «flerlags» (figur 1).

Figur 1: Tverrsnittvisning av strukturen til en MLCC viser flere kondensatorlag stablet i en kapsling. (Bildekilde: Knowles Syfer)

For å konstruere en MLCC blir lag av det keramiske dielektrikumet bygget opp ved å bruke en sorteringsprosess som alternerer med elektroder av motsatt polaritet. Dette gjør det mulig å opprette et svært stort antall lag. Den parallelle forbindelsen mellom disse flertallige elektrode-positive (+) og -negative (–) parene muliggjør produksjon av store kapasitansverdier i en relativt liten kapsling.

Elektrodene er metalliske og svært ledende. Fremstillingsprosessen krever at elektrodene er kjemisk ikke-reaktive og har høyt smeltepunkt. For dette bruker Knowles Syfer MLCC-kondensatorene en kombinasjon av sølv og palladium som elektroder.

Dielektrikum må også være gode isolatorer. Den relative permittiviteten – eller den absolutte dielektrisitetskonstanten (e_r) – fastsetter den oppnåelige kapasitansen for en gitt komponentgeometri. For eksempel kommer Knowles Syfer sine forbedrede sikkerhetssertifiserte MLCC-er som kan overflatemonteres med to klasser av keramisk dielektrikum. Det første er C0G/NP0, et EIA-dielektrikum i klasse 1, som har en permittivitet på mellom 20 og 100, relativt til permittiviteten til et vakuum som har en e_r på 0. Det andre er X7R, et EIA-dielektrikum i klasse 2, med en e_r på mellom 2000 og 3000. Til sammenligning er e_r for glimmeren 5,4, og 3 for plastfilmen. Den keramiske kondensatoren vil derfor være mindre for en gitt kapasitansverdi. Valget av dielektrikum påvirker stabiliteten til kondensatoren med hensyn til temperatur, påført spenning og tid. Vanligvis vil dette bety at jo høyere e_r er, jo mindre stabil vil kapasitansverdien være.

EIA klassifiserer dielektrikum i klasse 2 med en alfanumerisk klassifisering. Den første bokstaven angir minimumstemperaturen, tallet angir maksimumstemperaturen og den siste bokstaven beskriver kapasitanstoleransen. X7R-dielektrikumet dekodes til en minimumstemperatur på –55 °C, en maksimumstemperatur på +125 °C og en kapasitanstoleranse på ±15 %. Dielektrikum i klasse 1, slik som C0G, har en lignende koding. Det første tegnet, en bokstav, gir det signifikante tallet for kapasitansendringen, der temperaturen vises i deler per million per grad Celsius (ppm/°C). For C0G-dielektrikumet representerer C et signifikant tall for temperaturstabilitet på null ppm/°C. Det andre tallet er multiplikatoren for temperaturstabilitet. 0 angir en multiplikator på 10^-1. Den siste bokstaven, G, definerer kapasitansfeilen på ±30 ppm.

Dielektrikum i klasse 1 gir høyere nøyaktighet og stabilitet. De utviser også lavere tap. Dielektrikum i klasse 2 er mindre stabilt, men tilbyr høyere volumetrisk effektivitet, og gir dermed større kapasitans per volumenhet. Derfor bruker MLCC-kondensatorer med høyere verdi vanligvis dielektrikum i klasse 2. Knowles Syfer sine sertifiserte MLCC-er med forbedret sikkerhet har et høy kapasitansområde på mellom 4,7 pikofarad (pF) og 56 nanofarad (nF), avhengig av hvilket dielektrikum som er valgt, og spenningsklassifiseringer på opptil 305 volt vekselstrøm (VAC).

Kapasitansen til en MLCC er direkte proporsjonal med det overlappende området til elektrodene, samt e_r for det keramiske dielektrikumet. Kapasitansen er omvendt proporsjonal med tykkelsen til dielektrikumet, mens spenningsverdien er proporsjonal med den. Som sådan er det avveininger mellom kapasitansen, spenningsklassifiseringen og den fysiske størrelsen til kondensatoren.

MLCC-er for elbiler

MLCC-er har relativt lav ESL og ESR, noe som gjør dem bedre egnet for høyfrekvente konstruksjoner, og med et bredt utvalg av dielektrikum kan kapasitansverdiene og toleranseområdet optimaliseres for konstruksjonen. De er overflatemonterte komponenter med svært volumetrisk effektive kapslinger, noe som hjelper dem få bukt med plassbegrensninger i elbiler. De er også svært motstandsdyktige mot spenningstransienter sammenlignet med aluminium-elektrolyttkondensatorer og tantalkondensatorer.

Selv om MLCC-er er mye brukt, kan de sprekke hvis de utsettes for mekanisk stress på grunn av vibrasjoner eller støt. Sprekker utsetter enheten for nedbrytning gjennom fuktighetsforurensning. Knowles Syfer-konstruktører har håndtert dette problemet ved å lage FlexiCap-termineringer som gir økt toleranse for komponentbøyning (figur 2).

Figur 2: FlexiCap-konstruksjonen bruker en egenutviklet fleksibel termineringsinnfatning av epoksypolymer under den vanlige endekapslingsbarrieren for å gi økt motstandsdyktighet mot skader på grunn av kortbøyning. (Bildekilde: Knowles Syfer)

Den fleksible termineringsinnfatningen som brukes i FlexiCap påføres over elektrodene. Dette materialet er en epoksypolymer lastet med sølv (silver-loaded) som påføres ved å bruke konvensjonelle termineringsteknikker, som deretter varmeherdes. Den er fleksibel og absorberer noe av den mekaniske belastningen mellom kortet og den monterte MLCC-en.

Som et resultat tåler komponenter som er terminert med FlexiCap høyere nivåer av mekanisk belastning sammenlignet med sintrede terminerte komponenter. FlexiCap tilbyr også forbedret beskyttelse mot mekanisk sprekkdannelse og i konstruksjoner der det oppstår raske temperaturendringer. For konstruktører av elbiler, er resultatet en større grad av bøyningstoleranse under håndtering av prosesskort, noe som fører til bedre resultater og færre feil ute i felten.

Sikkerhetssertifiserte kondensatorer fra Knowles Syfer, som også er viktig for elbiler, er tilgjengelige med AEC-Q200-kvalifisering. Deler anses å være «AEC-Q200-kvalifisert» hvis de har bestått den strenge serien med stresstester for temperatur, varmesjokk, fuktighetsmotstand, dimensjonal toleranse, bestandighet mot løsemidler, mekaniske støt, vibrasjoner, elektrostatisk utladning, loddbarhet og kortbøyning, for å nevne noen.

Den sikkerhetssertifiserte linjen har en høy dielektrisk holdespenning (DWV – dielectric withstand voltage) på 4 kilovolt likestrøm (kV_DC) og 3 kV_RMS. Dette er kritiske egenskaper for 800-volts elbilladesystemer der det er behov for brede test- og sikkerhetsmarginer.

Eksempler på MLCC-er for elbiler

Knowles Syfer sin forbedrede sikkerhetssertifiserte produktlinje har et bredt spekter av kondensatorverdier som både har Flexicap-terminering og AEC-Q200-kvalifisering, noe som gjør dem spesielt godt egnet for elbilutrustninger. For eksempel er 1808JA250101JKTSYX en 100 pF C0G/NP0-kondensator med en spenningsklassifisering på 250 volt AC for klasse Y2-konstruksjoner (linje til jord) og 305 volt AC i klasse X1-konstruksjoner (linje til linje), med en toleranse på ±5 %. Den er innkapslet i en 1808-kapsling på 4,95 x 2,00 millimeter (mm) (0,195 x 0,079 tommer) (figur 3).

Figur 3: Her vises de fysiske dimensjonene til 1808JA250101JKTSYX MLCC-en (venstre) sammen med den anbefalte layouten til loddeøyet (høyre). (Bildekilde: Knowles Syfer)

Knowles Syfer 1812Y2K00103KST er en vanlig X7R-kondensator. Den er en 10 000 pF ±10 % 2 kV-enhet i en 1812-kapsling som måler 4,5 x 3,2 x 2,5 mm. Begge kondensatortypene, 1808JA250101JKTSYX og 1812Y2K00103KST, har et nominelt temperaturområde fra –55 °C til +125 °C. Produktlinjen er tilgjengelig i kapslingsstørrelsene 1808, 1812, 2211, 2215 og 2220, avhengig av dielektrikumet som brukes, kapasitansverdien og spenningsverdien.

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

Vær oppmerksom på at produksjonskravene for montering og lodding av FlexiCap-terminerte kondensatorer er identiske med de for en MLCC med en standard sintret terminering, så de krever ingen spesiell håndtering. I tillegg, og med henvisning til figur 3 igjen, kan Knowles sine brikkekondensatorer monteres ved å bruke platelayouter (pad layout) som er i samsvar med IPC-7351, universalkrav for overflatemonterte konstruksjoner og standarder for loddepunkter. Utover dette, har andre faktorer vist seg å redusere mekanisk stress, som å redusere platebredden til mindre enn brikkebredden.

Konklusjon

Knowles Syfer Flexicap AEC-Q200-kvalifiserte MLCC-er er godt egnet for elbilutrustninger, spesielt 800-volts batterisystemer der det er viktig med økt testspenning og sikkerhetsmargin for å håndtere overspenning og transiente tilstander. FlexiCap-terminalen gjør det mulig for kondensatorene å håndtere høyere nivåer av mekanisk stress. Som sådan, og for å samsvare med AEC-Q200, gir de konstruktører en unik kombinasjon av egenskaper, stabilitet og sikkerhetssertifisering.