Varmista sähköajoneuvojen turvallinen ja luotettava lataaminen käyttämällä monikerroksisia keraamisia kondensaattoreita, joissa on joustavat liitännät

Elektroniikan määrä kasvaa nopeasti ajoneuvoissa, ja teollisuuden fokus on ollut yleisesti antureissa, moottorinohjausyksiköissä (ECU), navigoinnissa, ohjaamon liitettävyydessä, äänessä ja kehittyneissä kuljettajan apujärjestelmissä (ADAS). Sähköajoneuvojen yleistyessä sellaisista korkeajännitteisistä ja erittäin luotettavista elektroniikkakomponenteista on tullut kriittisen tärkeitä, jotka kestävät yli 800 volttia ja täyttävät samalla korkeat ympäristövaatimukset. Tämä tarve koskee myös kondensaattoritasoa.

Kondensaattoreita valitsevien autosuunnittelijoiden täytyy huomioon monia fysikaalisia ja sähköisiä ominaisuuksia, jotka riippuvat kulloisestakin sovelluksesta. Lisäksi kondensaattoreiden valinnassa on otettava huomioon mm. sellaiset standardit kuten rasituskestävyyttä koskeva AEC-Q200-standardi. Takaisinkytkentäsilmukoissa tarvitaan kondensaattoreita, joilla on tiukat toleranssit ja stabiilit lämpötilakertoimet. Ekvivalenttisen sarjainduktanssin (ESL) on oltava alhainen korkeataajuussovelluksissa. Tehosovelluksissa tarvitaan komponentteja, joiden ekvivalenttinen sarjavastus (ESR) on alhainen, jos sovelluksessa voidaan odottaa esiintyvän korkeita rippelivirtoja. Myös koon ja painon minimointi on tärkeää sähköajoneuvoissa.

Näiden vaatimusten täyttämiseksi on nyt saatavilla turvallisuussertifioituja monikerroksisia keraamisia pintaliitoskondensaattoreita (MLCC), jotka noudattavat monia kansainvälisiä turvallisuusspesifikaatioita ja -sertifikaatteja, mukaan lukien standardia AEC-Q200.

Tässä artikkelissa tarkastellaan MLCC-kondensaattorien rakennetta ja sitä, mitä MLCC-kondensaattoreilta vaaditaan sähköajoneuvoissa. Sen jälkeen artikkelissa osoitetaan, miten MLCC-kondensaattorit voivat täyttää fyysiset ja sähköiset vaatimukset luontaisen kokonsa ja volumetrisen tehokkuuden sekä sellaisten ominaisuuksien kuten FlexiCap-liitännän ja korkeiden jännitteiden kestävyyden ansiosta. Se tarjoaa myös käytännön esimerkkejä valmistajalta Knowles Syfer.

MLCC-kondensaattorin rakenne

MLCC:t ovat useista yksittäisistä kondensaattorielementeistä koostuvia pintaliitoskondensaattoreita, jotka on pinottu pystysuoraan ja kytketty rinnakkain päätyliitäntöjen kautta. Termi ”monikerroksinen” tulee tästä rakenteesta (kuva 1).

Kuva 1: Poikkileikkauskuva MLCC-kondensaattorin rakenteesta näyttää useita kondensaattorikerroksia pinottuina yhteiseen koteloon. (Kuvan lähde: Knowles Syfer)

MLCC-kondensaattori valmistetaan kokoamalla keraamiset dielektriset kerrokset seulontaprosessin avulla vuorottelemalla elektrodeja, joilla vastakkainen napaisuus. Näin voidaan luoda hyvin suuri määrä kerroksia. Lukuisien positiivisten (+) ja negatiivisten (-) parien rinnankytkentä mahdollistaa suurten kapasitanssiarvojen luonnin suhteellisen pienessä kotelossa.

Elektrodit ovat metallisia ja erittäin johtavia. Valmistusprosessi edellyttää, etteivät elektrodit ole kemiallisesti reaktiivisia ja että niillä on korkea sulamispiste. Tämän vuoksi Knowles Syferin MLCC-kondensaattoreissa käytetään elektrodeina hopean ja palladiumin yhdistelmää.

Dielektristen materiaalien täytyy olla myös hyviä eristeitä. Suhteellinen permittiivisyys – eli dielektrinen vakio (e_r) – määrittää tietyllä komponenttigeometrialla saavutettavissa olevan kapasitanssin. Esimerkiksi Knowles Syferin parannetut turvallisuussertifioidut MLCC-pintaliitoskondensaattorit tarjoavat kaksi keraamista dielektristä luokkaa. Ensimmäinen on C0G/NP0, joka tarkoittaa EIA-luokan 1 dielektristä materiaalia. Sen permittiivisyys on 20–100 suhteessa tyhjiön permittiivisyyteen, jonka e_r on 0. Toinen on X7R, EIA-luokan 2 dielektrinen materiaali, jonka e_r on 2000–3000. Vertailun vuoksi kiilteen e_r on 5,4 ja muovikalvon 3. Keraaminen kondensaattori on siten pienempi vastaavalla kapasitanssiarvolla. Dielektrisen materiaalin valinta vaikuttaa kondensaattorin stabiiliuteen lämpötilan, jännitteen ja ajan suhteen. Yleisesti pätee, että mitä korkeampi e_r on, sitä epävakaampi on kapasitanssiarvo.

EIA luokittelee luokan 2 dielektriset materiaalit aakkosnumeerisen luokituksen mukaisesti. Ensimmäinen kirjain tarkoittaa minimilämpötilaa, numero ilmaisee maksimilämpötilan ja viimeinen kirjain kuvaa kapasitanssin toleranssia. Dielektrinen X7R tarkoittaa minimilämpötilaa −55 °C, maksimilämpötilaa +125 °C ja kapasitanssin toleranssia ±15 %. Luokan 1 dielektrisillä materiaaleilla, kuten C0G, on vastaavanlainen koodaus. Ensimmäinen merkki, kirjain, ilmaisee kapasitanssin muutoksen merkitsevän numeron sekä lämpötilan miljoonasosina celsiusastetta kohti (ppm/°C). Dielektrisessä materiaalissa C0G kirjain C tarkoittaa lämpötilastabiiliuden merkitsevää numeroa nolla ppm/°C. Toinen numero on lämpötilastabiiliuden kerroin. 0 tarkoittaa kerrointa 10⁻¹. Viimeinen kirjain, G, määrittelee kapasitanssivirheen ±30 ppm.

Luokan 1 dielektriset materiaalit tarjoavat korkeamman tarkkuuden ja stabiiliuden. Niillä on myös pienemmät häviöt. Luokan 2 dielektriset materiaalit eivät ole yhtä stabiileja, mutta niiden volumetrinen tehokkuus on korkeampi, jolloin kapasitanssi on suurempi tilavuusyksikköä kohti. Näin ollen korkean kapasitanssiarvon MLCC-kondensaattoreissa käytetään yleensä luokan 2 dielektrisiä materiaaleja. Knowles Syferin parannettujen turvallisuussertifioitujen MLCC-kondensaattoreiden kapasitanssit vaihtelevat dielektrisen materiaalin valinnasta riippuen 4,7 pikofaradin (pF) 56 nanofaradin (nF) välillä. Niiden jänniteluokitukset ovat jopa 305 volttia vaihtovirralla (VAC).

MLCC-kondensaattorin kapasitanssi on suoraan verrannollinen elektrodien päällekkäiseen pinta-alaan sekä keraamisen dielektrisen materiaalin e_r-arvoon. Kapasitanssi on kääntäen verrannollinen dielektrisen materiaalin paksuuteen, kun taas jänniteluokitus on siihen verrannollinen. Kapasitanssin, jänniteluokituksen ja kondensaattorin fyysisen koon välillä täytyy näin ollen tehdä kompromisseja.

Sähköajoneuvojen MLCC-kondensaattorit

MLCC-kondensaattoreiden ESL- ja ESR-arvot ovat suhteellisen alhaiset, joten ne soveltuvat paremmin korkeataajuussovelluksiin. Koska dielektristen materiaalien valikoima on laaja, kapasitanssiarvot ja toleranssialue voidaan optimoida sovelluksen mukaan. Nämä kondensaattorit ovat pintaliitoskomponentteja, joiden kotelot ovat volumetrisesti erittäin tehokkaita, joten ne sopivat sähköajoneuvojen tilarajoitteisiin sovelluksiin. Ne ovat myös erittäin kestäviä jännitetransientteja vastaan alumiinielektrolyytti- ja tantaalikondensaattoreihin verrattuna.

Vaikka MLCC-kondensaattoreita käytetään laajalti, ne voivat halkeilla, jos ne altistuvat tärinästä tai iskuista aiheutuvalle mekaaniselle rasitukselle. Halkeamat altistavat laitteen kosteuden aiheuttamalle heikkenemiselle. Knowles Syferin suunnittelijat ovat ratkaisseet tämän ongelman luomalla FlexiCap-liitännät, jotka tarjoavat korkeamman toleranssin komponenttien taivutukselle (kuva 2).

Kuva 2: FlexiCap-rakenteessa käytetään valmistajakohtaista joustavaa epoksipolymeeriliitäntäpohjaa tavanomaisen päätymetalloinnin alla, jotta se kestäisi paremmin piirilevyn taivutuksen aiheuttamia vaurioita. (Kuvan lähde: Knowles Syfer)

FlexiCapissa käytettävä joustava liitäntäpohja asennetaan elektrodien päälle. Tämä materiaali on hopeaa sisältävää epoksipolymeeriä, joka levitetään tavanomaisia liitäntätekniikoita käyttäen ja sitten lämpökovetetaan. Se on joustavaa ja vaimentaa osittain piirilevyn ja asennetun MLCC-kondensaattorin välistä mekaanista rasitusta.

Tämän seurauksena FlexiCapilla liitetyt komponentit kestävät suurempia mekaanisia rasituksia sintrattuihin komponentteihin verrattuna. FlexiCap tarjoaa myös paremman suojan mekaanista halkeilua vastaan. Se sopii sovelluksiin, joissa esiintyy nopeita lämpötilan muutoksia. Tämä tarkoittaa sähköajoneuvojen suunnittelijoille suurempaa taivutustoleranssia piirilevyjen käsittelyprosessiin, mikä merkitsee parempaa tuottoa ja vähemmän kenttävikoja.

Knowles Syferin turvallisuussertifioidut kondensaattorit ovat saatavilla myös AEC-Q200-hyväksynnällä, mikä on myös tärkeää sähköajoneuvojen kannalta. Osat ovat ”AEC-Q200-hyväksyttyjä”, jos ne ovat läpäisseet tiukat rasitustestit, joiden mittauskohteisiin kuuluvat muun muassa lämpötila, terminen shokki, kosteusresistanssi, mittatoleranssi, liuottimien kestävyys, mekaaniset iskut, tärinä, sähköstaattinen purkaus, juotettavuus ja piirilevyn joustavuus.

Turvallisuussertifioitu tuotesarja tarjoaa sähkönäkökulmasta katsoen korkean dielektrisen kestojännitteen (DWV): 4 kilovoltin tasavirran (kV_DC) ja 3 kV_RMS. Nämä ovat kriittisiä ominaisuuksia sähköajoneuvojen 800 voltin latausjärjestelmissä, joissa vaaditaan laajoja testaus- ja turvallisuusmarginaaleja.

Esimerkkejä sähköajoneuvoihin tarkoitetuista MLCC-kondensaattoreista

Parannettu turvallisuussertifioinnin tarjoava Knowles Syferin tuotesarja kattaa laajan valikoiman kondensaattoreita varustettuina sekä Flexicap-liitännällä että AEC-Q200-hyväksynnällä, joten ne soveltuvat erityisen hyvin sähköajoneuvosovelluksiin. Esimerkiksi 1808JA250101JKTSYX on 100 pikofaradin C0G/NP0-kondensaattori, jonka jänniteluokitus on 250 volttia AC Y2-luokan sovelluksissa (vaiheesta maahan) ja 305 volttia AC X1-luokan sovelluksissa (vaiheesta vaiheeseen), ja sen toleranssi on ±5 %. Se käyttää 1808-koteloa, jonka mitat ovat 0,195 x 0,079 tuumaa eli 4,95 x 2,00 millimetriä (mm) (kuva 3).

Kuva 3: MLCC-kondensaattorin 1808JA250101JKTSYX fyysiset mitat (vasemmalla) sekä sen suositeltu juotospintojen layout (oikealla). (Kuvan lähde: Knowles Syfer)

Knowles Syferin 1812Y2K00103KST on tyypillinen X7R-kondensaattori. Tämä 2 kV:n komponentti tarjoaa 10 000 pF ±10 % 1812-kotelossa, jonka mitat ovat 4,5 x 3,2 x 2,5 mm. Kummankin kondensaattorityypin, 1808JA250101JKTSYX ja 1812Y2K00103KST, lämpötilaluokitus on −55 °C ... +125 °C. Tuotesarjaa on saatavana kotelokokoina 1808, 1812, 2211, 2215 ja 2220 käytettävän dielektrisen materiaalin, kapasitanssiarvon ja jänniteluokituksen mukaan.

Yksi esimerkki lisää on Knowles Syferin 1808JA250101JKTS2X. Se on C0G/NP0-kondensaattori, joka tarjoaa 100 pF, 250 volttia AC (luokka X2), 1 kV DC ja toleranssi ±5 %. 2220YA250102KXTB16 on puolestaan X7R-kondensaattori, joka tarjoaa 1000 pF ±10 % 250 voltille.

Huomaa, että FlexiCap-kondensaattoreiden kokoonpanoa ja juottamista koskevat valmistusvaatimukset ovat samat kuin sintrattua perusliitäntää käyttävillä MLCC-kondensaattoreilla, joten ne eivät vaadi erikoiskäsittelyä. Lisäksi Knowlesin pintaliitoskondensaattorit voidaan asentaa käyttämällä IPC-7351-standardin (Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standards) mukaisia juotosalueen layouteja (katso kuva 3). Lisäksi muiden tekijöiden on osoitettu vähentävän mekaanista rasitusta, kuten juotosalueen leveyden pienentämisen siruleveyttä pienemmäksi.

Yhteenveto

Knowles Syferin AEC-Q200-hyväksytyt Flexicap MLCC-kondensaattorit soveltuvat hyvin sähköajoneuvosovelluksiin, ja erityisesti 800 voltin akkujärjestelmiin, joissa korkeampi testausjännite- ja turvamarginaali on välttämätön ylijännitteiden ja transienttien kestämiseksi. Kondensaattorit kestävät suurempaa mekaanista kuormitusta FlexiCap-liitännän ansiosta. Tämän ja AEC-Q200-standardin ansiosta ne tarjoavat suunnittelijoille ainutlaatuisen yhdistelmän suorituskykyä ja stabiiliutta sekä turvallisuussertifioinnin.