Garantire una ricarica EV sicura e affidabile con condensatori ceramici multistrato con terminazioni flessibili

È un dato di fatto che la quantità di componenti elettronici nei veicoli sta aumentando rapidamente e che il settore si sia concentrato di preferenza su sensori, unità di controllo del motore (ECU), navigazione, connettività interna, audio e sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS). Con la diffusione dei veicoli elettrici (EV), sono diventati fondamentali i componenti elettronici ad alta tensione e ad alta affidabilità, in grado di tollerare fino a 800 V e di soddisfare i più severi requisiti ambientali. Questa esigenza si applica fino al livello dei condensatori.

Oltre alla conformità a standard come AEC-Q200 per la resistenza alle sollecitazioni, i progettisti automotive che scelgono i condensatori devono considerare molte caratteristiche fisiche ed elettriche a seconda dell'applicazione specifica. Per i circuiti di retroazione sono necessari condensatori con rigide tolleranze e coefficienti di temperatura stabili. Nelle applicazioni ad alta frequenza, l'induttanza equivalente in serie (ESL) deve essere bassa. Nelle applicazioni di alimentazione, sono necessari componenti con bassa resistenza equivalente in serie (ESR) se si prevedono correnti di ripple elevate. Per i veicoli elettrici è importante anche ridurre al minimo le dimensioni e il peso.

Per soddisfare questi requisiti, sono ora disponibili condensatori ceramici multistrato (MLCC) a montaggio superficiale certificati per la sicurezza, conformi a diverse specifiche e certificazioni di sicurezza internazionali, tra cui AEC-Q200.

Questo articolo descrive la struttura dei condensatori MLCC e i loro requisiti per i veicoli elettrici. Spiega poi come le dimensioni e l'efficienza volumetrica intrinseche, oltre a caratteristiche quali la terminazione FlexiCap e le elevate tensioni di resistenza, aiutino gli MLCC a soddisfare i requisiti fisici ed elettrici. Gli esempi forniti sono di Knowles Syfer.

La struttura degli MLCC

Gli MLCC sono condensatori a montaggio superficiale comprendenti una serie di singoli elementi impilati verticalmente e collegati in parallelo dalle terminazioni. Da qui il termine multistrato (Figura 1).

Figura 1: Vista in sezione della struttura di un MLCC in cui è possibile notare più condensatori impilati in un unico contenitore. (Immagine per gentile concessione di Knowles Syfer)

Per costruire un MLCC, gli strati del dielettrico ceramico sono depositati con un processo di schermatura alternato con elettrodi di polarità diversa. In questo modo è possibile creare un numero molto elevato di strati. Il collegamento in parallelo di più coppie di elettrodi positivi (+) e negativi (-) consente di produrre grandi valori di capacità in un contenitore relativamente compatto.

Gli elettrodi sono metallici e altamente conduttivi. Il processo di produzione richiede che gli elettrodi siano chimicamente non reattivi e abbiano un punto di fusione elevato. Per questo, i condensatori MLCC di Knowles Syfer utilizzano come elettrodi una combinazione di argento e palladio.

I dielettrici devono essere anche buoni isolanti. La permittività relativa (e_r) del dielettrico determina la capacità elettrica raggiungibile per una data geometria del componente. Ad esempio, gli MLCC a montaggio superficiale di Knowles Syfer con certificazione di sicurezza avanzata sono disponibili in due classi di dielettrici ceramici. Il primo è il C0G/NP0, un dielettrico di Classe EIA 1, che ha una permittività compresa tra 20 e 100, rispetto alla permittività del vuoto che ha un e_r di 0. Il secondo è l'X7R, un dielettrico di Classe EIA 2, con un e_r compreso tra 2000 e 3000. A titolo di confronto, l'e_r della mica è 5,4 e quello di una pellicola di materiale plastico è 3. Pertanto, il condensatore ceramico sarà più piccolo per un dato valore di capacità. La scelta del dielettrico influisce sulla stabilità del condensatore rispetto alla temperatura, alla tensione applicata e al tempo. In generale, più alto è il valore e_r, meno stabile è il valore della capacità.

L'EIA classifica i dielettrici di Classe 2 con una nomenclatura alfanumerica. La prima lettera indica la temperatura minima, il numero indica la temperatura massima e la lettera finale descrive la tolleranza di capacità elettrica. Il dielettrico X7R ha una temperatura minima di -55 °C, una temperatura massima di +125 °C e una tolleranza di capacità di ±15%. I dielettrici di Classe 1, come il C0G, hanno una codifica simile. Il primo carattere, una lettera, indica la cifra significativa della variazione di capacità con la temperatura in parti per milione per grado Celsius (ppm/°C). Per il dielettrico C0G, la C rappresenta una cifra significativa di zero ppm/°C per la stabilità termica. Il secondo numero è il moltiplicatore per la stabilità termica. 0 indica un moltiplicatore di 10^-1. La lettera finale, G, definisce l'errore di capacità di ±30 ppm.

I dielettrici di Classe 1 offrono maggiore precisione e stabilità. Inoltre, presentano perdite inferiori. I dielettrici di Classe 2 sono meno stabili ma offrono un'efficienza volumetrica più elevata, fornendo quindi una maggiore capacità per unità di volume. Di conseguenza, i condensatori MLCC di valore più elevato utilizzano in genere dielettrici di Classe 2. Gli MLCC di Knowles Syfer con certificazione di sicurezza avanzata hanno un'elevata capacità compresa tra 4,7 pF e 56 nF, a seconda del dielettrico, e tensioni nominali fino a 305 V c.a.

La capacità di un MLCC è direttamente proporzionale all'area di sovrapposizione degli elettrodi e all'e_r del dielettrico ceramico. La capacità è inversamente proporzionale allo spessore del dielettrico, mentre la tensione nominale è proporzionale allo spessore. Pertanto esistono compromessi tra la capacità, la tensione nominale e le dimensioni fisiche del condensatore.

MLCC per i veicoli elettrici

Gli MLCC hanno una ESL e una ESR relativamente basse, per questo sono più adatti alle applicazioni ad alta frequenza e, grazie all'ampia scelta di dielettrici, i valori di capacità e l'intervallo di tolleranze possono essere ottimizzati in base all'applicazione. Si tratta di componenti a montaggio superficiale in contenitori molto efficienti dal punto di vista volumetrico, che consentono di risolvere i problemi di spazio nei veicoli elettrici. Sono inoltre molto resistenti ai transitori di tensione rispetto ai condensatori elettrolitici in alluminio e al tantalio.

Sebbene gli MLCC siano ampiamente utilizzati, se sottoposti a sollecitazioni meccaniche causate da urti o vibrazioni, possono incrinarsi. Le incrinature espongono il dispositivo al deterioramento dovuto alla contaminazione da umidità. I progettisti di Knowles Syfer hanno affrontato questo problema creando le terminazioni FlexiCap che offrono una maggiore tolleranza alla flessione dei componenti (Figura 2).

Figura 2: FlexiCap utilizza una base di terminazione flessibile in polimero epossidico sotto la consueta barriera di terminazione per offrire una maggiore resistenza ai danni dovuti alla flessione della scheda. (Immagine per gentile concessione di Knowles Syfer)

La base di terminazione flessibile utilizzata in FlexiCap viene applicata sopra gli elettrodi. Questo materiale è un polimero epossidico caricato con argento che viene applicato con tecniche di terminazione convenzionali e poi sottoposto a termoindurimento. È flessibile e assorbe parte delle sollecitazioni meccaniche tra la scheda e l'MLCC montato.

Di conseguenza, i componenti terminati con FlexiCap resistono a sollecitazioni meccaniche maggiori rispetto a quelli terminati con sinterizzazione. FlexiCap offre anche una maggiore protezione contro le cricche meccaniche e nelle applicazioni in cui si verificano rapide variazioni di temperatura. Per i progettisti di EV, il risultato è un maggior grado di tolleranza alla flessione nella manipolazione delle schede in lavorazione, che si traduce in un aumento della resa e in un minor numero di guasti sul campo.

Per i veicoli elettrici è anche importante sottolineare che i condensatori di Knowles Syfer certificati per la sicurezza sono disponibili con qualificazione AEC-Q200. I componenti sono considerati "qualificati AEC-Q200" se hanno superato i severi test di sollecitazione per, a titolo di esempio, temperatura, shock termico, resistenza all'umidità, tolleranza dimensionale, resistenza ai solventi, urti meccanici, vibrazioni, scariche elettrostatiche, saldabilità e flessibilità della scheda.

Dal punto di vista elettrico, la linea certificata per la sicurezza presenta un'elevata tensione di rigidità dielettrica (DWV) di 4 kV_c.c.) e 3 kV_RMS. Si tratta di caratteristiche critiche per i sistemi di ricarica EV a 800 V, che richiedono ampi margini di prova e di sicurezza.

Esempi di MLCC per veicoli elettrici

Molti condensatori della linea di Knowles Syfer con certificazione di sicurezza avanzata offrono sia la terminazione FlexiCap sia la qualificazione AEC-Q200, il che li rende particolarmente adatti alle applicazioni EV. Ad esempio, 1808JA250101JKTSYX è un condensatore C0G/NP0 da 100 pF con una tensione nominale di 250 V c.a. per applicazioni di Classe Y2 (da linea a terra) e 305 V c.a. in applicazioni di Classe X1 (da linea a linea), con tolleranze di ±5%. È alloggiato in un contenitore 1808 di 4,95 x 2,00 mm (Figura 3).

Figura 3: Le dimensioni fisiche dell'MLCC 1808JA250101JKTSYX (a sinistra) e la disposizione consigliata delle piazzole di saldatura (a destra). (Immagine per gentile concessione di Knowles Syfer)

Un tipico condensatore X7R è 1812Y2K00103KST di Knowles Syfer, un dispositivo da 10.000 pF ±10% a 2 kV in un contenitore 1812 di 4,5 x 3,2 x 2,5 mm. Entrambi i tipi di condensatore 1808JA250101JKTSYX e 1812Y2K00103KST hanno un intervallo di temperatura nominale compreso tra -55 e +125 °C. La linea di prodotti è disponibile nei formati 1808, 1812, 2211, 2215 e 2220, a seconda del dielettrico utilizzato, del valore di capacità e della tensione nominale.

Altri esempi di Knowles Syfer sono 1808JA250101JKTS2X, un condensatore C0G/NP0 da 100 pF, 250 V c.a. (Classe X2), 1 kV c.c., con tolleranza di ±5%. 2220YA250102KXTB16 è un condensatore X7R da 1000 pF ±10% a 250 V.

Da notare che i requisiti di produzione per il montaggio e la saldatura dei condensatori con terminazione FlexiCap sono identici a quelli di un MLCC con terminazione sinterizzata standard, quindi non richiedono una gestione speciale. Inoltre, facendo ancora riferimento alla Figura 3, i condensatori in chip di Knowles Syfer possono essere montati utilizzando una disposizione delle piazzole conforme a IPC-7351, requisiti generali per i progetti a montaggio superficiale e standard per land pattern. Inoltre, è stato dimostrato che altri fattori riducono le sollecitazioni meccaniche, come una larghezza della piazzola minore di quella del chip.

Conclusione

Gli MLCC FlexiCap di Knowles Syfer, qualificati AEC-Q200, sono particolarmente indicati per le applicazioni EV, in particolare per i sistemi di batterie a 800 V che richiedono una tensione di prova e un margine di sicurezza maggiori per gestire le sovratensioni e i transitori. Grazie alla terminazione FlexiCap i condensatori possono sopportare maggiori livelli di sollecitazioni meccaniche. Essendo qualificati AEC-Q200, questi condensatori offrono ai progettisti una combinazione unica di capacità, stabilità e certificazione di sicurezza.