Les MLCC C0G offrent des avantages de conception pour les chargeurs embarqués

Les opérateurs de véhicules électriques ne devraient pas avoir à se soucier du rendement de charge ou de la stabilité thermique. Ils ont simplement besoin d'un moyen de transport extrêmement fiable avec la meilleure autonomie par charge et un minimum de maintenance et de réparations. Les fabricants, quant à eux, veulent un chargeur embarqué (OBC) aussi compact que possible. Réunir les objectifs des opérateurs et des fabricants est un défi de conception qui est relevé de plus en plus souvent grâce à l'utilisation de condensateurs en céramique multicouches (MLCC) avec des caractéristiques C0G.

Le C0G, également appelé NP0, est un condensateur céramique diélectrique de classe 1 avec une capacité extrêmement stable : variation quasi nulle avec une erreur admissible maximum de ±30 ppm/°C. Il offre un fonctionnement supérieur, peu sujet aux variations de température, de tension ou de vieillissement, ce qui le rend idéal pour les circuits précis et les applications fiables, comme les chargeurs embarqués pour les véhicules électriques. En comparaison, les MLCC de classe II, tels que X7R, connaissent une dérive de ±15 %, et les condensateurs à film fonctionnent typiquement avec une dérive de ±2 %.

Les chargeurs embarqués sont des convertisseurs CA/CC haute tension utilisés pour exploiter de manière sûre et efficace l'énergie du réseau électrique pour charger les batteries des VE. Les MLCC C0G sont appréciés pour leurs fonctions haute précision et haute stabilité dans la conversion de puissance et le filtrage des interférences électromagnétiques (EMI). Ils sont utilisés dans les circuits résonants LLC, les circuits d'amortissement des transitoires de tension, les filtres de suppression EMI haute fréquence, les circuits de commande sensibles à la polarisation continue, les circuits d'attaque de grille et les alimentations auxiliaires.

Avec une puissance de sortie de 22 kW, désormais fréquente dans les chargeurs embarqués de VE, les condensateurs pour la fonction de circuit résonant doivent résister à une tension élevée et présenter de faibles pertes pour supporter des densités de puissance plus élevées dans un facteur de forme compact. Ils jouent un rôle essentiel pour garantir l'efficacité et la fiabilité globales des systèmes, ce qui fait des MLCC C0G une option de conception intéressante.

Avantages du C0G

Les MLCC à caractéristiques C0G présentent des avantages clés par rapport aux condensateurs à film traditionnels dans ces applications. Les concepteurs peuvent bénéficier d'une réduction significative de la surface de montage, d'une élimination de la production de chaleur et d'une meilleure efficacité de transmission, permettant des chargeurs embarqués plus petits et plus puissants.

La commutation dans les étages de puissance des chargeurs embarqués génère des interférences électromagnétiques, qui peuvent être amplifiées par des semi-conducteurs à large bande interdite (WBG) comme le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN). Ces matériaux permettent la commutation ultrarapide avec un haut rendement, mais ils produisent également des surtensions transitoires significatives. Il s'agit d'événements communément appelés vitesse de variation de la tension en fonction du temps (dv/dt), pouvant dépasser 50 kV/µs, ce qui est beaucoup plus élevé que dans les conceptions MOSFET silicium traditionnelles.

Les MLCC dotés de caractéristiques C0G sont intrinsèquement stables, non piézoélectriques et moins sujets à la dérive thermique ou électrique sous contrainte haute fréquence. Ils excellent dans la gestion des impulsions et présentent une faible ESL, ce qui les rend parfaitement adaptés aux circuits d'amortissement et au filtrage en mode commun.

Les MLCC C0G présentent des facteurs de dissipation exceptionnellement faibles et une capacité haute qualité (Q). Cette combinaison garantit une perte d'énergie minimale et un comportement résonant stable, résultant en une contrainte thermique plus faible et une densité de puissance améliorée. Ils offrent une stabilité électrique supérieure par rapport aux MLCC diélectriques X7R/X5R de classe II, sans bruit piézoélectrique et garantissant de faibles facteurs de dissipation et des performances Q élevées, ce qui est essentiel pour les applications de commutation haute fréquence.

Dans les réseaux d'amortissement et les filtres EMI, les composants à facteur Q élevé contribuent à garantir des caractéristiques d'impédance précises, améliorant ainsi la suppression des transitoires et l'efficacité du filtrage du bruit. Pour les circuits analogiques de précision et les systèmes RF, un facteur Q élevé favorise la sélectivité à bande étroite et l'intégrité des signaux, permettant un filtrage et un contrôle de fréquence plus précis.

Avec une résistance série équivalente (ESR) inférieure à celle des condensateurs à film, l'auto-échauffement est réduit, contribuant à une durée de vie plus longue. De plus, avec une réduction du nombre de composants, l'utilisation de MLCC C0G entraîne une durée moyenne de fonctionnement avant défaillance (MTTF) étendue pour les applications de chargeurs embarqués.

Les MLCC C0G ont un impact sur les conducteurs et les propriétaires de véhicules électriques en améliorant l'expérience de charge, la fiabilité du véhicule et la perception globale de la qualité de fabrication. Les MLCC C0G contribuent à la fiabilité thermique en conditions extrêmes, à l'amélioration du rendement énergétique et de la confiance en l'autonomie, à un fonctionnement fluide et silencieux avec des interférences électromagnétiques réduites et à la tranquillité d'esprit du conducteur.

Considérations de conception pour les chargeurs embarqués

Grâce à la combinaison unique de stabilité, de faible perte et de format compact, les MLCC C0G constituent la solution idéale pour les circuits haute vitesse et haute précision. Mais il existe des compromis que les concepteurs doivent évaluer lorsqu'il s'agit de choisir entre MLCC C0G, MLCC X7R ou condensateurs à film.

Les condensateurs à film offrent une plus grande capacité pour le stockage d'énergie et haute tension, mais ils constituent généralement des options plus coûteuses et plus encombrantes (Figure 1). Les MLCC X7R sont plus compacts et plus rentables que les alternatives à film, mais leur capacité peut être considérablement affectée en cas de polarisation continue, et ils requièrent un détarage pour la stabilité de tension.

Figure 1 : Comparaison des dimensions d'un condensateur à film typique de 600 V (à gauche) et d'un condensateur MLCC C0G haute tension en boîtier 3225. (Source de l'image : TDK Corporation)

Les MLCC C0G présentent un léger surcoût par rapport aux condensateurs X7R mais garantissent une plus grande stabilité et de meilleures performances sans nécessiter de détarage. La différence de coût peut être compensée au moins partiellement par une réduction du nombre total de composants, réduisant la nomenclature totale.

Lors de la conception avec des MLCC C0G dans les chargeurs embarqués de véhicules électriques ou d'autres systèmes automobiles sensibles à la puissance, il convient de prêter attention à la sélection des composants. Les spécifications des fournisseurs peuvent être similaires, mais les différences d'ESR, d'ESL et de construction peuvent avoir un impact sur le réglage du circuit. Il est essentiel de ne pas mélanger n'importe comment les composants des fournisseurs, et de valider les sélections par des tests sur banc ou des simulations.

Les MLCC C0G remplacent les condensateurs à film et les MLCC X7R pour de nombreuses applications, notamment les circuits résonants qui fournissent une conversion de puissance efficace et performante pour les chargeurs embarqués et autres applications critiques. Grâce à la stabilité et à la miniaturisation extrêmes combinées à une haute tension, ces composants constituent une option de conception intéressante.

MLCC C0G haute capacité de TDK

En 2025, TDK Corporation a étendu sa série CGA (qualité automobile) et sa série C (qualité commerciale et industrielle) de MLCC C0G à montage en surface à 10 nanofarads (nF) avec ce qui est considéré comme la capacité la plus élevée de l'industrie pour un produit répertorié à 1250 V. Les dispositifs sont fournis en boîtier 3225 (3,2 mm x 2,5 mm x 2,5 mm). Les composants X7R haute tension de TDK, en comparaison, sont plus grands et ne supportent que jusqu'à 630 V.

Les lignes de produits C0G C3225 et CGA6P utilisent une conception de produit et de processus optimisée pour offrir une résistance haute tension. Elles partagent le facteur de forme 3225, de sorte que les concepteurs peuvent les utiliser pour réduire la taille physique et le nombre de MLCC montés en série (Figure 2).

Figure 2 : Comparaison de la surface de montage requise pour des batteries de condensateurs similaires utilisant des condensateurs à film, des MLCC basse tension et des MLCC haute tension. (Source de l'image : TDK Corporation)

Par rapport aux alternatives, les MLCC C0G de TDK sont optimisés pour réduire la génération de chaleur, ce qui augmente la longévité et améliore la fiabilité. Ils sont parfaitement adaptés aux circuits d'amortissement et résonants, aux convertisseurs CC/CC et aux applications de charge sans fil dans les applications automobiles et commerciales.

La taille compacte des composants de TDK permet aux concepteurs de fournir des applications conformes AEC-2000 qui sont plus petites et plus efficaces pour les automobiles de nouvelle génération. Ils garantissent des performances fiables en conditions difficiles, y compris les chocs thermiques, les vibrations et les cycles de températures, avec une plage de températures de -55°C à +125°C.

Le MLCC de qualité automobile CGA6P1C0G3B103G250AC offre une capacité de 10 nF avec une tolérance de ±2 %. Le diélectrique C0G fournit une stabilité exceptionnelle en température et peut résister aux températures et vibrations intenses du compartiment moteur. Il est particulièrement utile dans les circuits d'amortissement et résonants haute tension, tels que ceux présents dans les systèmes de recharge de VE et l'électronique de puissance. Le CGA6P1C0G3B103J250AC fournit la même capacité mais avec une tolérance de ±5 %.

Les composants C3225 présentent les mêmes caractéristiques de boîtier et de plage de températures, mais ils sont moins coûteux et ils sont conçus pour les environnements commerciaux et industriels plus modérés et moins régulés. Comme son homologue de la ligne CGA6, le C3225C0G3B103G250AC fournit une capacité de 10 nF et une haute tension nominale de 1250 V dans le même boîtier 3225 avec une tolérance de capacité de ±2 %, ce qui le rend adapté aux applications de précision. Le C3225C0G3B103J250AC présente une capacité de 10 nF avec une tolérance de ±5 %.

Conclusion

Les concepteurs peuvent remplacer en toute confiance les condensateurs électrolytiques ou à film plus grands, rationaliser la configuration des cartes et améliorer la fiabilité dans les systèmes d'alimentation et automobiles de nouvelle génération avec les MLCC C0G. Les MLCC C0G C3225 de qualité commerciale et CGA6P de qualité automobile de TDK offrent une option intéressante pour les applications haute tension et haute fiabilité avec une capacité de pointe dans un boîtier compact pour une stabilité exceptionnelle.