Per i veicoli elettrici, i condensatori ceramici multistrato da 800 V con terminazioni flessibili garantiscono una ricarica sicura e affidabile

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, naturalmente, 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, dove devono essere rispettati standard come AEC-Q200.

Fortunatamente, i produttori di componenti sono pienamente consapevoli dei requisiti. Ad esempio, la linea di prodotti di Knowles Syfer di condensatori ceramici multistrato a montaggio superficiale (MLCC) comprende condensatori conformi a diverse specifiche e certificazioni di sicurezza internazionali, tra cui AEC-Q200. Questa azienda ha anche introdotto componenti con profili ribassati e ingombro ridotto sulla scheda, caratteristiche indispensabili per le applicazioni con limiti di spazio. Inoltre, la terminazione FlexiCap dei condensatori riduce il rischio di incrinature meccaniche quando sono montati su schede soggette a vibrazioni e urti, rendendoli adatti alle applicazioni EV. Vediamo più da vicino la tecnologia MLCC per comprenderne i vantaggi.

La struttura degli MLCC

Gli MLCC sono condensatori a montaggio superficiale strutturati con una serie di singoli elementi impilati verticalmente e collegati in parallelo dalle terminazioni (Figura 1).

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

Il collegamento in parallelo di più coppie di elettrodi + e - 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. Gli MLCC di Knowles Syfer offrono due classi di dielettrici ceramici. Il primo è il C0G/NP0, un dielettrico di Classe EIA 1, che ha una permittività relativa 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. 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 valori nominali fino a 305 V c.a. Vediamo alcuni MLCC tipici.

Esempi di MLCC

1808JA250101JKTSYX di Knowles Syfer 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). Questo condensatore ha una tolleranza di ±5%. È alloggiato in un contenitore 1808 di 4,95 x 2x 1,5 mm. Un tipico condensatore X7R è 2220JA250103KXTB17 di Knowles Syfer, un dispositivo da 10.000 pF ±10% a 250 V in un contenitore 2220 di 5,7 x 5 x 2,5 mm. Entrambi i tipi di condensatore 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.

Sebbene gli MLCC siano ampiamente utilizzati nei circuiti elettronici, la loro fragilità ha sempre sollevato preoccupazioni. Infatti, se sottoposti a sollecitazioni meccaniche, 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. I componenti terminati con FlexiCap resistono a sollecitazioni meccaniche maggiori rispetto a quelli terminati con sinterizzazione. Per l'utente è un vantaggio in quanto offre 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.

1808JA250101JKTS2X di Knowles Syfer è un condensatore FlexiCap, 100 pF, 250 V c.a. (Classe X2), 1 kV c.c., C0G/NP0 con una tolleranza di capacità di ±5%. Va notato che le dimensioni fisiche sono identiche a quelle dell'MLCC da 100 pF citato in precedenza: la tecnologia FlexiCap non influisce sulle dimensioni del condensatore. 2220YA250102KXTB16 di Knowles Syfer è un condensatore X7R da 1000 pF ±10% a 250 V che incorpora anche la terminazione FlexiCap. 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.

Perché gli MLCC sono adatti ai veicoli elettrici

Gli MLCC con FlexiCap sono ideali per gli ambienti EV in cui i circuiti sono soggetti a eventi transitori elettrici, urti, vibrazioni e ampi intervalli di temperatura. L'intera gamma dei condensatori Knowles Syfer è disponibile con la certificazione automotive AEC-Q200. I componenti sono considerati "certificati AEC-Q200" se hanno superato i severi test di sollecitazione previsti da questo standard. Questi test comprendono, tra l'altro, temperatura, shock termico, resistenza all'umidità, tolleranza dimensionale, resistenza ai solventi, urti meccanici, vibrazioni, scariche elettrostatiche, saldabilità e flessibilità della scheda.

Conclusione

Gli MLCC di Knowles Syfer certificati AEC-Q200 sono particolarmente adatti per le applicazioni EV, specie per i sistemi di batterie a 800 V che richiedono una tensione di prova e un margine di sicurezza maggiori. Questi condensatori offrono ai progettisti una combinazione unica di capacità, stabilità e certificazione di sicurezza.