Gli MLCC C0G sono vantaggiosi nella progettazione dei caricatori di bordo

Gli operatori di veicoli elettrici non vogliono pensare all'efficienza di ricarica e alla stabilità termica, desiderano solo un trasporto altamente affidabile, con la migliore autonomia per carica e manutenzione e riparazione minime. I produttori vogliono un caricatore di bordo (OBC) il più compatto possibile. La sfida, che sempre più spesso si risolve con l'impiego di condensatori ceramici multistrato (MLCC) con caratteristiche C0G, è quella di conciliare gli obiettivi di operatori e produttori.

Il C0G, detto anche NP0, è un condensatore ceramico dielettrico in Classe 1 con una capacità estremamente stabile, una variazione prossima allo zero con un errore massimo ammissibile di ±30 ppm/°C. Questo garantisce un funzionamento superiore che non varia molto con la temperatura, la tensione o l'età, rendendolo perfetto per circuiti precisi e applicazioni affidabili, come gli OBC per EV. In confronto, gli MLCC in Classe II, come X7R, subiscono una deriva di ±15%, mentre i condensatori a film funzionano tipicamente con una deriva di ±2%.

Gli OBC sono convertitori c.a./c.c. ad alta tensione che utilizzano in modo sicuro ed efficiente la potenza di rete per caricare le batterie EV. Gli MLCC C0G sono apprezzati per le funzioni di alta precisione e alta stabilità nella conversione di potenza e nel filtraggio delle interferenze elettromagnetiche (EMI). Sono utilizzati nei circuiti di tank risonanti LLC, nei circuiti di soppressione dei transitori di tensione, nei filtri di soppressione EMI ad alta frequenza, nei circuiti di controllo sensibili alla polarizzazione c.c., nei gate driver e negli alimentatori ausiliari.

Con una potenza di uscita di 22 kW ormai comune negli OBC per EV, i condensatori per la funzione di circuito risonante devono resistere alle alte tensioni e fornire basse perdite per sopportare densità di potenza più elevate in un fattore di forma compatto. Hanno un ruolo fondamentale nel garantire l'efficienza e l'affidabilità del sistema, il che rende gli MLCC C0G un'opzione di progettazione interessante.

Vantaggi C0G

Gli MLCC con caratteristiche C0G offrono vantaggi importanti in queste applicazioni rispetto ai tradizionali condensatori a film. I progettisti possono trarre vantaggio da una significativa riduzione dell'area di montaggio, dalla soppressione della generazione di calore e da una migliore efficienza di trasmissione, consentendo di realizzare OBC più piccoli e più potenti.

La commutazione negli stadi di potenza OBC genera le EMI, che possono essere ulteriormente amplificate da semiconduttori ad ampio bandgap (WBG) come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN). Questi materiali assicurano una commutazione ultraveloce con un'elevata efficienza, ma producono anche elevati transitori di tensione. Questi sono comunemente detti eventi di variazione di tensione nel tempo (dV/dt) che possono superare i 50 kV/µs, un valore molto più elevato rispetto ai tradizionali MOSFET al silicio.

Gli MLCC con caratteristiche C0G sono intrinsecamente stabili, non piezoelettrici e meno inclini a derive termiche o elettriche sotto stress ad alta frequenza. Eccellono per la gestione degli impulsi e la bassa ESL, per cui sono adatti ai circuiti soppressori e al filtraggio di modo comune.

Gli MLCC C0G offrono fattori di dissipazione eccezionalmente bassi e una capacità di alta qualità (Q). Questa combinazione garantisce una perdita di energia minima e un comportamento risonante stabile, con conseguente riduzione della sollecitazione termica e una migliore densità di potenza. Offrono una stabilità elettrica superiore rispetto agli MLCC dielettrici in Classe II X7R/X5R, azzerando il rumore piezoelettrico e garantendo fattori di dissipazione bassi e prestazioni Q elevate, fondamentali per le applicazioni di commutazione ad alta frequenza.

Nelle reti di soppressori e nei filtri EMI, i componenti ad alta Q contribuiscono a garantire caratteristiche di impedenza precise, migliorando la soppressione dei transitori e l'efficacia del filtraggio dei disturbi. Per i sistemi RF e i circuiti analogici di precisione, l'elevata Q supporta la selettività a banda stretta e l'integrità del segnale per un filtraggio e un controllo della frequenza più accurati.

Con una resistenza equivalente in serie (ESR) più bassa rispetto ai condensatori a film, l'autoriscaldamento si riduce, contribuendo a una maggiore durata. Inoltre, grazie alla riduzione del numero di componenti, l'utilizzo di MLCC C0G consente di prolungare il tempo medio fino al guasto (MTTF) per le applicazioni OBC.

Gli MLCC C0G hanno un impatto sui conducenti e sui proprietari di EV, migliorando l'esperienza di ricarica, l'affidabilità del veicolo e la percezione generale della qualità costruttiva del veicolo. Gli MLCC C0G contribuiscono all'affidabilità termica in condizioni estreme, al miglioramento dell'efficienza energetica e della fiducia di autonomia, al funzionamento fluido e silenzioso con riduzione delle EMI e alla tranquillità del conducente.

Considerazioni sulla progettazione degli OBC

La combinazione unica di stabilità, basse perdite e dimensioni compatte rende gli MLCC C0G ideali per i circuiti ad alta velocità e ad alta precisione. Tuttavia i progettisti devono soppesare i compromessi per decidere se utilizzare MLCC C0G, MLCC X7R o condensatori a film.

I condensatori a film offrono una maggiore capacità per l'immagazzinaggio dell'energia e l'alta tensione, ma sono generalmente più costosi e ingombranti (Figura 1). Gli MLCC X7R sono più compatti ed economici rispetto alle alternative a film, ma la loro capacità può essere significativamente compromessa dalla polarizzazione c.c. e richiedono un declassamento per la stabilità della tensione.

Figura 1: Confronto delle dimensioni di un tipico condensatore a film da 600 V (a sinistra) e di un MLCC C0G ad alta tensione in contenitore 3225. (Immagine per gentile concessione di TDK Corporation)

Gli MLCC C0G hanno un piccolo sovrapprezzo rispetto agli X7R, ma garantiscono una maggiore stabilità e migliori prestazioni senza necessità di declassamento. La differenza di costo può essere compensata almeno in parte da una riduzione del numero complessivo di componenti, che riduce la distinta base totale.

Quando si progettano MLCC C0G in OBC EV o in altri sistemi automotive sensibili alla potenza, è opportuno prestare attenzione alla selezione dei componenti. Le specifiche dei fornitori possono essere simili, ma le variazioni di ESR, ESL e costruzione possono influire sulla messa a punto del circuito. È essenziale non mescolare casualmente i componenti di fornitori diversi e convalidare le scelte attraverso prove o simulazioni.

Gli MLCC C0G stanno sostituendo i condensatori a film e gli MLCC X7R in molte applicazioni, come i circuiti risonanti che garantiscono una conversione di potenza efficiente e ad alte prestazioni per gli OBC e altre applicazioni critiche. L'estrema stabilità e la miniaturizzazione, unite all'alta tensione, fanno di questi componenti un'opzione di progettazione interessante.

MLCC C0G ad alta capacità di TDK

Nel 2025, TDK Corporation ha ampliato le serie CGA (di tipo automotive) e C (di tipo commerciale e industriale) di MLCC C0G a montaggio superficiale fino a 10 nF, con quella che si ritiene essere la più alta capacità del settore per un prodotto da 1250 V. Sono confezionati in un involucro 3225 (3,2 x 2,5 x 2,5 mm). I componenti X7R ad alta tensione di TDK, in confronto, sono più grandi e supportano solo fino a 630 V.

Le linee di prodotti C3225 e CGA6P C0G utilizzano un design ottimizzato del prodotto e del processo per garantire una resistenza alle alte tensioni. Condividono il fattore di forma 3225, quindi i progettisti possono utilizzarli per ridurre le dimensioni fisiche e il numero di MLCC montati in serie (Figura 2).

Figura 2: Confronto dell'area di montaggio richiesta per banchi di condensatori simili che utilizzano condensatori a film, MLCC a bassa tensione e MLCC a tensione più elevata. (Immagine per gentile concessione di TDK Corporation)

Rispetto alle alternative, gli MLCC C0G di TDK sono ottimizzati per ridurre la generazione di calore, il che ne aumenta la longevità e ne migliora l'affidabilità. Sono particolarmente adatti per circuiti risonanti e soppressori, convertitori c.c./c.c. e applicazioni di ricarica wireless in ambito automotive e commerciale.

Le dimensioni compatte dei componenti di TDK consentono ai progettisti di realizzare applicazioni conformi allo standard AEC-2000, più piccole e più efficienti per veicoli di prossima generazione. Garantiscono prestazioni affidabili in condizioni difficili, tra cui shock termici, vibrazioni e cicli di temperatura, con un intervallo di temperatura compreso tra -55 e +125 °C.

L'MLCC di grado automotive CGA6P1C0G3B103G250AC offre una capacità di 10 nF con una tolleranza di ±2%. Il dielettrico C0G offre un'eccezionale stabilità alla temperatura e può sopportare temperature e vibrazioni elevate nel vano motore. Sono particolarmente utili nei circuiti risonanti e soppressori ad alta tensione, come quelli presenti nei sistemi di ricarica EV e nell'elettronica di potenza. Il modello CGA6P1C0G3B103J250AC fornisce la stessa capacità, ma con una tolleranza di ±5%.

I componenti C3225 presentano le stesse caratteristiche di confezionamento e lo stesso intervallo di temperatura, ma sono meno costosi e progettati per ambienti commerciali e industriali più moderati e meno regolamentati. Come la controparte della linea CGA6, il modello C3225C0G3B103G250AC offre una capacità di 10 nF e un'elevata tensione nominale di 1250 V nello stesso contenitore 3225 con una tolleranza di capacità di ±2%, rendendolo adatto ad applicazioni di precisione. Il modello C3225C0G3B103J250AC offre una capacità di 10 nF con una tolleranza di ±5%.

Conclusione

Con gli MLCC C0G i progettisti possono sostituire tranquillamente i condensatori a film o elettrolitici più grandi, semplificare il layout delle schede e migliorare l'affidabilità di sistemi di alimentazione e automotive di prossima generazione. Gli MLCC C3225 di grado commerciale e CGA6P C0G di grado automotive di TDK sono un'opzione interessante per le applicazioni ad alta tensione e ad alta affidabilità, con una capacità leader del settore in un contenitore compatto per una stabilità eccezionale.