C0G-MLCCs bieten Designvorteile für Onboard-Ladegeräte

Betreiber von Elektrofahrzeugen sollten sich keine Gedanken über die Ladeeffizienz und die thermische Stabilität machen müssen - sie wollen einfach nur ein äußerst zuverlässiges Transportmittel mit der besten Reichweite pro Ladung und einem Minimum an Wartung und Reparaturen. Die Hersteller wollen ein möglichst kompaktes Onboard-Ladegerät. Die Überbrückung der Ziele von Betreibern und Herstellern ist eine Designherausforderung, die zunehmend durch die Verwendung von keramischen Vielschichtkondensatoren (MLCCs) mit C0G-Eigenschaften erreicht wird.

C0G, auch NP0 genannt, ist ein dielektrischer Keramikkondensator der Klasse 1 mit einer extrem stabilen Kapazität: die Änderung ist nahezu Null mit einem maximal zulässigen Fehler von ±30 ppm/°C. Dies ermöglicht einen überlegenen Betrieb, der sich mit der Temperatur, der Spannung oder dem Alter kaum verändert, was ihn perfekt für präzise Schaltungen und zuverlässige Anwendungen macht, wie z. B. Onboard-Ladegeräte für Elektrofahrzeuge. Im Vergleich dazu weisen MLCCs der Klasse II, wie z. B. X7R, eine Drift von ±15% auf, während Folienkondensatoren typischerweise mit einer Drift von ±2% arbeiten.

Onboard-Ladegeräte sind AC/DC-Wandler für hohe Spannungen, die zur sicheren und effizienten Nutzung von Netzstrom zum Laden von EV-Batterien eingesetzt werden. C0G-MLCCs werden für hochpräzise, hochstabile Funktionen bei der Leistungsumwandlung und der Filterung elektromagnetischer Störungen (EMI) geschätzt. Sie werden in LLC-Resonanztankschaltungen, Dämpfungsschaltungen für Spannungstransienten, Hochfrequenz-EMI-Unterdrückungsfiltern, DC-biasempfindlichen Steuerschaltungen sowie Gate-Treibern und Hilfsstromversorgungen eingesetzt.

Bei einer Ausgangsleistung von 22 kW, wie sie heute in Elektrofahrzeugen üblich ist, müssen Kondensatoren für die Funktion von Resonanzkreisen hohen Spannungen standhalten und geringe Verluste aufweisen, um höheren Leistungsdichten in einem kompakten Formfaktor standzuhalten. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung der Effizienz und Zuverlässigkeit des Gesamtsystems, was C0G-MLCCs zu einer attraktiven Designoption macht.

C0G-Vorteile

MLCCs mit C0G-Eigenschaften haben in diesen Anwendungen entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Folienkondensatoren. Entwickler können die Vorteile einer erheblich verkleinerten Montagefläche, einer unterdrückten Wärmeentwicklung und einer verbesserten Übertragungseffizienz nutzen, was kleinere und leistungsfähigere Onboard-Ladegeräte ermöglicht.

Das Schalten in Leistungsstufen von Onboard-Ladegeräten erzeugt EMI, die durch Halbleiter mit breiter Bandlücke (WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) noch verstärkt werden kann. Diese Materialien ermöglichen ultraschnelles Schalten mit hohem Wirkungsgrad, erzeugen aber auch steile Spannungstransienten. Diese werden gemeinhin als Hochspannungsänderungen über die Zeit (dv/dt) bezeichnet, die 50 kV/µs überschreiten können, was wesentlich höher ist als bei herkömmlichen Silizium-MOSFET-Designs.

MLCCs mit C0G-Charakteristik sind von Natur aus stabil, nicht-piezoelektrisch und weniger anfällig für thermische oder elektrische Drifts bei Hochfrequenzbelastung. Sie zeichnen sich durch hohe Impulsbelastbarkeit und niedrige ESL aus und eignen sich daher gut für Entstörglieder und Gleichtaktfilterung.

C0G-MLCCs zeichnen sich durch außergewöhnlich niedrige Verlustfaktoren und eine hohe Güte (Q) der Kapazität aus. Diese Kombination gewährleistet einen minimalen Energieverlust und ein stabiles Resonanzverhalten, was zu einer geringeren thermischen Belastung und einer höheren Leistungsdichte führt. Sie bieten im Vergleich zu dielektrischen MLCCs der Klassen X7R/X5R eine überlegene elektrische Stabilität, kein piezoelektrisches Rauschen und gewährleisten niedrige Verlustfaktoren und eine hohe Güteleistung, die für Hochfrequenz-Schaltanwendungen entscheidend sind.

In Entstörnetzwerken und EMI-Filtern tragen Komponenten mit hohem Q-Wert zu einer präzisen Impedanzcharakteristik bei und verbessern die Unterdrückung von Transienten und die Wirksamkeit der Rauschfilterung. Bei HF-Systemen und analogen Präzisionsschaltungen unterstützt eine hohe Güte die Schmalbandselektivität und Signalintegrität und ermöglicht eine genauere Filterung und Frequenzsteuerung.

Mit einem geringeren äquivalenten Serienwiderstand (ESR) als bei Folienkondensatoren wird die Eigenerwärmung reduziert, was zu einer längeren Lebensdauer beiträgt. Außerdem führt die Verwendung von C0G-MLCCs bei einer geringeren Anzahl von Bauteilen zu einer verlängerten mittleren Zeit bis zum Ausfall (MTTF) für Onboard-Ladegeräteanwendungen.

C0G-MLCCs verbessern das Ladeerlebnis, die Zuverlässigkeit des Fahrzeugs und die allgemeine Wahrnehmung der Bauqualität von Elektrofahrzeugen. C0G-MLCCs tragen zur thermischen Zuverlässigkeit unter extremen Bedingungen bei, verbessern die Energieeffizienz und die Reichweite, sorgen für einen reibungslosen und leisen Betrieb mit reduzierter elektromagnetischer Beeinflussung (EMI) und geben dem Fahrer Sicherheit.

Designüberlegungen für Onboard-Ladegeräte

Die einzigartige Kombination aus Stabilität, geringem Verlust und kompakter Größe macht C0G-MLCCs ideal für Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisionsschaltungen. Bei der Entscheidung, ob C0G-MLCCs, X7R-MLCCs oder Folienkondensatoren verwendet werden sollen, müssen die Entwickler jedoch einige Kompromisse eingehen.

Folienkondensatoren bieten eine größere Kapazität für Hochspannung und Energiespeicherung, sind aber im Allgemeinen teurer und sperriger (Abbildung 1). X7R-MLCCs sind kompakter und kostengünstiger als Folienalternativen, aber ihre Kapazität kann unter Gleichstromvorspannung erheblich beeinträchtigt werden, und sie erfordern eine Leistungsminderung für die Spannungsstabilität.

Abbildung 1: Größenvergleich zwischen einem typischen 600V-Folienkondensator (links) und einem Hochspannungs-C0G-MLCC im 3225-Gehäuse. (Bildquelle: TDK Corporation)

C0G-MLCCs haben einen geringen Preisaufschlag gegenüber X7R, gewährleisten aber eine höhere Stabilität und bessere Performance, ohne dass eine Leistungsminderung erforderlich ist. Der Kostenunterschied kann zumindest teilweise durch eine geringere Gesamtzahl von Bauteilen ausgeglichen werden, wodurch sich die Gesamtmaterialliste verringert.

Bei der Implementierung von C0G-MLCCs in Onboard-Ladegeräten für EVs oder anderen stromverbrauchsempfindlichen Automobilsystemen lohnt es sich, bei der Auswahl der Komponenten sorgfältig vorzugehen. Die Spezifikationen der Hersteller können ähnlich sein, aber Abweichungen bei ESR, ESL und Konstruktion können die Schaltungsabstimmung beeinflussen. Es ist wichtig, die Komponenten der Hersteller nicht einfach zu mischen und die Auswahl durch Tests oder Simulationen zu überprüfen.

C0G-MLCCs ersetzen Folienkondensatoren und X7R-MLCCs in vielen Anwendungen, wie z.B. in den Resonanzkreisen, die eine effiziente und leistungsstarke Leistungsumwandlung für Onboard-Ladegeräte und andere kritische Anwendungen ermöglichen. Höchste Stabilität und Miniaturisierung in Verbindung mit hoher Spannung machen diese Bauteile zu einer attraktiven Designoption.

TDKs hochkapazitive C0G-MLCCs

Im Jahr 2025 erweiterte die TDK Corporation ihre Serien CGA (Kfz-tauglich) und C (geeignet für gewerbliche und industrielle Anwendungen) der oberflächenmontierbaren C0G-MLCCs auf 10 Nanofarad (nF), die branchenweit höchste Kapazität für ein Produkt mit 1250 V Nennspannung. Sie sind in einem Gehäuse 3225 (3,2 x 2,5 x 2,5 mm) verpackt. Die Hochspannungsbauteile X7R von TDK sind im Vergleich dazu größer und unterstützen nur bis zu 630 V.

Die Produktlinien C3225 und CGA6P C0G nutzen ein optimiertes Produkt- und Prozessdesign, um eine hohe Spannungsfestigkeit zu erreichen. Sie haben den gleichen Formfaktor wie der 3225, so dass die Entwickler sie nutzen können, um die physische Größe und die Anzahl der in Reihe geschalteten MLCCs zu reduzieren (Abbildung 2).

Abbildung 2: Vergleich der benötigten Montagefläche für ähnliche Kondensatorbatterien mit Folienkondensatoren, MLCCs mit niedrigerer Spannung und MLCCs mit höherer Spannung. (Bildquelle: TDK Corporation)

Im Vergleich zu den Alternativen sind die C0G-MLCCs von TDK für eine geringere Wärmeentwicklung optimiert, was die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit erhöht. Sie eignen sich hervorragend für Resonanz- und Dämpfungsschaltungen, DC/DC-Wandler und kabellose Ladeanwendungen in der Automobilindustrie und im gewerblichen Bereich.

Die kompakte Größe der TDK-Bauteile ermöglicht es Entwicklern, AEC-2000-konforme Anwendungen zu entwickeln, die kleiner und effizienter für die nächste Generation von Automobilen sind. Sie gewährleisten zuverlässige Leistung unter rauen Bedingungen, einschließlich Temperaturschocks, Vibrationen und Temperaturschwankungen, mit einem Temperaturbereich von -55 bis 125°C.

Der für die Automobilelektronik geeignete MLCC CGA6P1C0G3B103G250AC bietet eine Kapazität von 10 nF mit einer Toleranz von ±2%. Das C0G-Dielektrikum bietet eine hervorragende Temperaturstabilität und hält auch hohen Temperaturen und Vibrationen im Motorraum stand. Sie sind besonders nützlich in Hochspannungs-Resonanz- und Dämpfungsschaltungen, wie sie in EV-Ladesystemen und in der Leistungselektronik zu finden sind. Der CGA6P1C0G3B103J250AC bietet die gleiche Kapazität, jedoch mit einer Toleranz von ±5%.

Die C3225-Bauteile weisen die gleichen Eigenschaften in Bezug auf Gehäuse und Temperaturbereich auf, sind jedoch kostengünstiger und für gemäßigtere und weniger regulierte kommerzielle und industrielle Umgebungen konzipiert. Wie das Gegenstück in der CGA6-Linie bietet der C3225C0G3B103G250AC eine Kapazität von 10 nF und eine hohe Nennspannung von 1250 V im gleichen 3225-Gehäuse mit einer Kapazitätstoleranz von ±2%, wodurch er sich für Präzisionsanwendungen eignet. Der C3225C0G3B103J250AC bietet eine Kapazität von 10 nF mit einer Toleranz von ±5%.

Fazit

Entwickler können mit C0G-MLCCs größere Film- oder Elektrolytkondensatoren ersetzen, Platinenlayouts optimieren und die Systemzuverlässigkeit in Energie- und Automobilsystemen der nächsten Generation verbessern. TDKs kommerzielle C3225 und Kfz-taugliche C0G-MLCCs CGA6P bieten eine attraktive Option für Hochspannungs- und hochzuverlässige Anwendungen mit branchenführender Kapazität in einem kompakten Gehäuse für außergewöhnliche Stabilität.