800-Volt-Mehrschichtkeramikkondensatoren mit flexiblen Anschlüssen sorgen bei Elektrofahrzeugen für sicheres, zuverlässiges Aufladen

Während der Anteil der Elektronik in Fahrzeugen rapide zunimmt, konzentriert sich die Industrie auf Sensoren, Motorsteuergeräte (ECUs), Navigation, Vernetzung in der Kabine, Audio und natürlich hochentwickelte Fahrerassistenzsysteme (ADAS). Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen werden elektronische Hochspannungskomponenten mit hoher Zuverlässigkeit benötigt, die mehr als 800 Volt vertragen und gleichzeitig strengen Umweltanforderungen genügen. Dies gilt bis hinunter auf die Kondensatorebene, wo Normen wie AEC-Q200 erfüllt werden müssen.

Glücklicherweise sind sich die Komponentenhersteller dieser Anforderungen bewusst. Die Produktlinie der sicherheitszertifizierten keramischen Vielschichtkondensatoren (MLCC) von Knowles Syfer beispielsweise bietet Kondensatoren, die mehrere internationale Sicherheitsspezifikationen und -zertifizierungen erfüllen, darunter auch AEC-Q200. Sie haben auch Komponenten eingeführt, die ein geringeres Profil haben und weniger Platz auf der Platine benötigen - wichtige Merkmale für Anwendungen, bei denen der Platz knapp ist. Darüber hinaus verringert der FlexiCap-Anschluss der Kondensatoren das Risiko mechanischer Risse, wenn sie auf Platinen eingesetzt werden, die Vibrationen und Stößen ausgesetzt sind, wodurch sie sich gut für EV-Anwendungen eignen. Werfen wir einen genaueren Blick auf die MLCC-Technologie, um ihre Vorteile zu verstehen.

Die Struktur der MLCCs

MLCCs sind oberflächenmontierbare Kondensatoren, die aus einer Reihe von einzelnen Kondensatorelementen bestehen, die vertikal gestapelt und an den Endanschlüssen parallel geschaltet sind (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein Querschnitt durch die Struktur eines MLCC zeigt mehrere Kondensatoren, die in einem gemeinsamen Gehäuse gestapelt sind. (Bildquelle: Knowles Syfer)

Die Parallelschaltung mehrerer Elektrodenpaare (+ und -) ermöglicht die Herstellung großer Kapazitätswerte in einem relativ kleinen Gehäuse.

Die Elektroden sind metallisch und hoch leitfähig. Der Herstellungsprozess erfordert, dass die Elektroden chemisch nicht reaktiv sind und einen hohen Schmelzpunkt haben. Dazu verwenden die MLCC-Kondensatoren von Knowles Syfer eine Kombination aus Silber und Palladium als Elektroden.

Dielektrika müssen auch gute Isolierstoffe sein. Die relative Dielektrizitätskonstante (e_r) des Dielektrikums bestimmt die erreichbare Kapazität für eine bestimmte Bauteilgeometrie. MLCCs von Knowles Syfer bieten zwei Klassen von keramischen Dielektrika. Das erste ist C0G/NP0, ein Dielektrikum der EIA-Klasse 1 mit einer relativen Dielektrizitätskonstante zwischen 20 und 100, bezogen auf die Dielektrizitätskonstante e_r des Vakuums, die 0 beträgt. Das zweite ist X7R, ein Dielektrikum der EIA-Klasse 2, mit einem e_r-Wert zwischen 2000 und 3000. Die Auswahl der Dielektrika beeinflusst die Stabilität des Kondensators in Bezug auf Temperatur, angelegte Spannung und Zeit. Im Allgemeinen gilt: Je höher e_r ist, desto weniger stabil ist der Kapazitätswert.

Die EIA klassifiziert Dielektrika der Klasse 2 mit einer alphanumerischen Klassifizierung. Der erste Buchstabe steht für die Mindesttemperatur, die Zahl für die Höchsttemperatur und der letzte Buchstabe steht für die Kapazitätstoleranz. Das X7R-Dielektrikum hat eine Mindesttemperatur von -55°C, eine Höchsttemperatur von +125°C und eine Kapazitätstoleranz von ±15%. Dielektrika der Klasse 1 wie C0G haben eine ähnliche Kodierung. Das erste Zeichen, ein Buchstabe, gibt die signifikante Zahl der Kapazitätsänderung mit der Temperatur in Teilen pro Million pro Grad Celsius (ppm/°C) an. Für das C0G-Dielektrikum steht das C für eine signifikante Zahl von null ppm/°C für die Temperaturstabilität. Die zweite Zahl ist der Multiplikator für die Temperaturstabilität. Die 0 bedeutet einen Multiplikator von 10^-1. Der letzte Buchstabe, G, bezeichnet den Kapazitätsfehler von ±30 ppm.

Klasse-1-Dielektrika bieten eine höhere Genauigkeit und Stabilität. Sie weisen auch geringere Verluste auf. Dielektrika der Klasse 2 sind weniger stabil, bieten aber einen höheren volumetrischen Wirkungsgrad und damit eine größere Kapazität pro Volumeneinheit. Folglich werden für MLCC-Kondensatoren mit höheren Werten im Allgemeinen Dielektrika der Klasse 2 verwendet. Die sicherheitszertifizierten MLCCs von Knowles Syfer haben einen hohen Kapazitätsbereich von 4,7 Picofarad (pF) bis 56 Nanofarad (nF) je nach Wahl des Dielektrikums und Nennwerte bis zu 305 Volt Wechselstrom (VAC). Schauen wir uns einige typische MLCC-Komponenten an.

Beispiele für MLCCs

Der 1808JA250101JKTSYX von Knowles Syfer ist ein 100 pF C0G/NP0-Kondensator mit einer Nennspannung von 250 VAC für Anwendungen der Klasse Y2 (Leitung gegen Erde) und 305 VAC in Anwendungen der Klasse X1 (Leitung gegen Leitung). Dieser Kondensator hat eine Toleranz von ±5%. Er ist in einem 1808-Gehäuse mit den Abmessungen 4,95 x 2 x 1,5 Millimeter (mm) untergebracht. Ein typischer X7R-Kondensator ist der 2220JA250103KXTB17 von Knowles Syfer, ein 10.000 pF ±10% 250-Volt-Bauelement in einem 2220-Gehäuse mit den Abmessungen 5,7 x 5 x 2,5 mm. Beide Kondensatortypen haben einen Nenntemperaturbereich von -55°C bis +125°C. Die Produktreihe ist in den Gehäusegrößen 1808, 1812, 2211, 2215 und 2220 erhältlich, je nach verwendetem Dielektrikum, Kapazitätswert und Nennspannung.

Obwohl MLCCs in elektronischen Schaltungen weit verbreitet sind, besteht ein Problem darin, dass sie spröde sind und bei mechanischer Beanspruchung brechen können. Risse machen die Komponente anfällig für Degradation durch Feuchtigkeit. Die Entwickler von Knowles Syfer haben sich dieses Problems angenommen und FlexiCap-Anschlüsse entwickelt, die eine höhere Toleranz gegenüber der Biegung von Komponenten bieten (Abbildung 2).

Abbildung 2: Bei der FlexiCap-Konstruktion wird eine proprietäre flexible Epoxidpolymer-Abschlussbasis unter der üblichen Endkappenbarriere verwendet, um eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Beschädigungen durch die Biegung der Leiterplatte zu gewährleisten. (Bildquelle: Knowles Syfer)

Die in FlexiCap verwendete flexible Anschlussbasis wird über den Elektroden angebracht. Bei diesem Material handelt es sich um ein silberbeladenes Epoxidpolymer, das mit konventionellen Anschlusstechniken aufgebracht und anschließend wärmegehärtet wird. Es ist flexibel und absorbiert einen Teil der mechanischen Belastung zwischen der Platine und dem montierten MLCC. Mit FlexiCap abgeschlossene Bauteile halten im Vergleich zu gesinterten Bauteilen größeren mechanischen Belastungen stand. Dies kommt dem Anwender zugute, da es eine größere Biegetoleranz bei der Handhabung von Platinen in der Verarbeitung ermöglicht, was zu einer höheren Ausbeute und weniger Ausfällen im Feld führt.

Der 1808JA250101JKTS2X von Knowles Syfer ist ein FlexiCap-Kondensator mit 100 pF für 250 VAC (Klasse X2), 1 Kilovolt (kV) DC und C0G/NP0 mit einer Kapazitätstoleranz von ±5 %. Beachten Sie, dass die physikalischen Abmessungen identisch sind mit denen des bereits erwähnten 100 pF MLCC: FlexiCap hat keinen Einfluss auf die Größe des Kondensators. Der 2220YA250102KXTB16 von Knowles Syfer ist ein 1000 pF ±10% 250 Volt X7R-Kondensator, der ebenfalls den FlexiCap-Anschluss enthält. Die Herstellungsanforderungen für die Montage und das Löten von FlexiCap-Abschlusskondensatoren sind identisch mit denen für einen Standard-MLCC mit gesintertem Anschluss, so dass sie keine besondere Handhabung erfordern.

Warum MLCCs für EVs geeignet sind

MLCCs mit FlexiCap sind ideal für EV-Umgebungen geeignet, in denen Leiterplatten elektrischen Transienten, Stößen, Vibrationen und großen Temperaturbereichen ausgesetzt sind. Die gesamte Palette der Kondensatorwerte von Knowles Syfer ist mit der AEC-Q200-Automobilqualifikation erhältlich. Bauteile gelten als „AEC-Q200-qualifiziert“, wenn sie die in der Norm enthaltenen strengen Belastungstests bestanden haben. Diese Tests umfassen u. a. Temperatur, Temperaturschock, Feuchtigkeitsbeständigkeit, Maßtoleranz, Lösungsmittelbeständigkeit, mechanische Schocks, Vibrationen, elektrostatische Entladung, Lötbarkeit und Leiterplattenflexibilität.

Fazit

Die AEC-Q200-qualifizierten MLCCs von Knowles Syfer eignen sich gut für EV-Anwendungen, insbesondere für 800-Volt-Batteriesysteme, bei denen eine erhöhte Prüfspannung und Sicherheitsspanne unerlässlich ist. Als solche bieten sie den Entwicklern eine einzigartige Kombination aus Leistungsfähigkeit, Stabilität und Sicherheitszertifizierung.