Biztonságos és megbízható villanyjárműtöltés rugalmas kivezetésű többrétegű kerámiakondenzátorok használatával

Miközben a járművekben lévő elektronika mennyisége gyorsan nő, az ágazat eddig inkább az érzékelőkre, a (robbanómotorokhoz való) motorvezérlő egységekre (ECU, engine control unit), a navigációra, az utastéren belüli kapcsolatokra, a hangtechnikára és a fejlett vezetéstámogató rendszerekre (ADAS, advanced driver assistance systems) összpontosított. A villanyjárművek (EV, electric vehicle) elterjedésével azonban rendkívül fontossá váltak a nagyfeszültségű, nagy megbízhatóságú, akár 800 V-ot is elviselő, ugyanakkor a szigorú környezetvédelmi követelményeknek is megfelelő elektronikai alkatrészek. Ez az elvárás egészen a kondenzátorok szintjéig érvényes.

Az olyan szabványoknak való megfelelés mellett, mint a tűrőképességre vonatkozó AEC-Q200, a kondenzátorokat kiválasztó gépjárműipari tervezőknek az adott felhasználási területtől függően számos fizikai és villamos jellemzőt kell figyelembe venniük. A visszacsatolási hurkokhoz szűk tűréshatárú és stabil hőmérsékleti együtthatójú kondenzátorokra van szükség. Nagyfrekvenciás felhasználási területeken az egyenértékű soros induktivitásnak (ESL, equivalent series inductance) kicsinek kell lennie. Ha nagy búgóáramokkal kell számolni, az áramellátással kapcsolatos felhasználási területeken kis egyenértékű soros ellenállású (ESR, equivalent series resistance) alkatrészekre van szükség. A villanyjárművek esetében a méret és a tömeg minimálisra csökkentése is fontos.

Ezeknek a követelményeknek a teljesítése érdekében ma már kaphatóak olyan biztonsági tanúsítvánnyal rendelkező felületszerelt többrétegű kerámiakondenzátorok (MLCC, multilayer ceramic capacitor), amelyek több nemzetközi biztonsági előírásnak és tanúsítványnak is megfelelnek, beleértve az AEC-Q200 szabványt is.

Ez a cikk ismerteti a többrétegű kerámiakondenzátorok felépítését, és azt, hogy milyen követelményeket támasztanak velük szemben a villanyjárművek. Ezután bemutatja, hogy a kialakításból eredő méret- és a térfogati hatásfok, valamint az olyan jellemzők, mint a FlexiCap kivezetés és a nagy ellenállási feszültség hogyan segítenek abban, hogy a többrétegű kerámiakondenzátorok teljesítsék a fizikai és villamos követelményeket. A cikk a Knowles Syfer cégtől vett valós példákat is bemutat.

A többrétegű kerámiakondenzátorok szerkezete

A többrétegű kerámiakondenzátorok olyan felületszerelt kondenzátorok, amelyek több függőlegesen egymásra helyezett és a kivezetéseiknél (az ábrán: Terminations) párhuzamosan összekapcsolt egyedi kondenzátorelemet tartalmaznak. Innen a többrétegű jelző (1. ábra).

1. ábra: A többrétegű kerámiakondenzátorok szerkezetének keresztmetszeti nézete több kondenzátorréteget mutat, amelyek egy közös tokban vannak egymásra helyezve (ábra: Knowles Syfer)

A többrétegű kerámiakondenzátorok készítése során a kerámia szigetelőrétegeket (dielektrikumot) árnyékolással alakítják ki, és ellentétes polaritású elektródák váltakoznak benne. Ez nagyon sok réteg létrehozását teszi lehetővé. A több pozitív (+) és negatív (–) elektródapárok párhuzamos kapcsolása lehetővé teszi nagy kapacitásértékek előállítását viszonylag kis méretben.

Az elektródák fémből készülnek, és kiváló vezetőképességűek. A gyártási folyamat megköveteli, hogy az elektródák kémiailag ne legyenek reakcióképesek, és magas olvadáspontúak legyenek. Ehhez a Knowles Syfer többrétegű kerámiakondenzátorai ezüst és palládium kombinációját használják elektródaként.

A dielektrikumoknak jó szigetelőknek is kell lenniük. Egy adott alkatrészgeometria esetén a relatív permittivitás (áteresztőképesség) – vagy dielektromos állandó (e_r) – határozza meg az elérhető kapacitást. Például a Knowles Syfer tűrőképesebb, biztonsági tanúsítvánnyal rendelkező felületszerelt többrétegű kerámiakondenzátorai kétféle kerámiadielektrikummal készülnek. Az egyik egy C0G/NP0 besorolású, EIA 1. osztályú dielektrikum (szigetelőanyag), amelynek permettivitása a vákuuméhoz képest (amelynek e_r-értéke 0) 20 és 100 között van. A másik egy X7R besorolású, EIA 2. osztályú dielektrikum, amelynek e_r-értéke 2000 és 3000 közötti. Összehasonlításképpen: a csillám e_r-értéke 5,4, a műanyag fóliáé pedig 3. Tehát a kerámiakondenzátor ugyanakkora kapacitásérték esetén kisebb méretű lesz. A dielektrikum kiválasztása befolyásolja a kondenzátor stabilitását a hőmérséklet, a ráadott feszültség és az idő függvényében. Általában minél nagyobb az e_r-érték, annál kevésbé stabil a kondenzátor kapacitásértéke.

Az EIA szabvány a 2. osztályú dielektrikumok besorolását alfanumerikus jelöléssel jelöli. Az első betű a legkisebb hőmérsékletet, a szám a legnagyobb hőmérsékletet, az utolsó betű pedig a kapacitástűrést jelöli. Az X7R jelölés azt jelenti, hogy a legkisebb hőmérséklet –55 °C, a legnagyobb hőmérséklet +125 °C, a kapacitástűrés pedig ±15%. Az 1. osztályú dielektrikumok jelölése (például a C0G) hasonló módon történik. Az első karakter, amely egy betű, a kapacitás hőmérsékletfüggő változásának lényeges értékét adja meg Celsius-fokonként, milliomodrészben (ppm/°C). A C0G jelölés esetében a C hőmérsékleti stabilitás tekintetében nulla (0) ppm/°C lényeges értéket jelent. A második szám a hőmérsékleti stabilitás szorzója. A 0 a 10^–1 szorzót jelenti, az utolsó betű, a G pedig ±30 ppm kapacitáshibát jelöl.

Az 1. osztályú dielektrikumok nagyobb pontosságot és stabilitást kínálnak, és emellett kisebb veszteségeket is mutatnak. A 2. osztályú dielektrikumok kevésbé stabilak, de jobb térfogati hatásfokot és ezáltal nagyobb térfogat-egységenkénti kapacitást tesznek lehetővé. Következésképpen a nagyobb kapacitásértékű többrétegű kerámiakondenzátorokban általában 2. osztályú dielektrikumot használnak. A Knowles Syfer tűrőképesebb, biztonsági tanúsítvánnyal rendelkező többrétegű kerámiakondenzátorainak kapacitása a választott dielektrikumtól függően 4,7 pF-tól 56 nF-ig terjed, és a névleges feszültségük akár 305 V váltakozó feszültség (VAC) is lehet.

A többrétegű kerámiakondenzátorok kapacitása egyenesen arányos az elektródák egymást átfedő területével, valamint a kerámiadielektrikum e_r-értékével. A kapacitás fordítottan arányos a dielektrikum vastagságával, míg a névleges feszültség egyenesen arányos azzal. Emiatt kompromisszumokat kell kötni a kapacitás, a névleges feszültség és a kondenzátor fizikai mérete között.

Többrétegű kerámiakondenzátorok villanyjárművekhez

A többrétegű kerámiakondenzátoroknak viszonylag kicsi az egyenértékű soros induktivitásuk és az egyenértékű soros ellenállásuk, így jobban megfelelnek a nagyfrekvenciás felhasználási területekre, és a különféle dielektrikumoknak köszönhetően a kapacitásértékek és a tűréshatárok a felhasználási területhez optimalizálhatók. Ezek felületszerelt alkatrészek jó térfogat-hatásfokú tokozásokkal, ami segíti a villanyjárművekben rendelkezésre álló szűk helyek kihasználását. Az alumínium elektrolitkondenzátorokhoz és a tantálkondenzátorokhoz képest ezek a kondenzátorok a feszültséglökésekkel szemben is rendkívül ellenállóak.

Bár a többrétegű kerámiakondenzátorokat sok területen használják, ha rezgés vagy ütés okozta mechanikai igénybevételnek vannak kitéve, megrepedhetnek. A repedések sérülékennyé teszik az eszközt a nedvesség okozta károsodások tekintetében. A Knowles Syfer tervezői ezt a problémát a FlexiCap kivezetések megalkotásával oldották meg, amelyek nagyobb tűrést kínálnak az alkatrészeket érő hajlítási igénybevételekkel szemben (2. ábra).

2. ábra: A FlexiCap kivezetésnél a szokásos zárósapka alatt egy saját fejlesztésű rugalmas epoxipolimer kivezetés-alapréteg (termination base) helyezkedik el, hogy nagyobb ellenállást biztosítson a nyomtatott áramköri lap meghajlása okozta sérülésekkel szemben (ábra: Knowles Syfer)

A FlexiCap kivezetésnél használt rugalmas kivezetés-alapréteg az elektródák fölött van elhelyezve. Ez az anyag ezüsttel feltöltött epoxipolimer, amelyet a hagyományos kivezetési módszerek használatával alakítanak ki, majd hővel kikeményítenek. Rugalmas, ezért elnyeli a nyomtatott áramköri lap és a felületszerelt többrétegű kerámiakondenzátor között fellépő mechanikai erőhatások egy részét.

Ennek eredményeképpen a FlexiCap kivezetésű alkatrészek nagyobb mechanikai igénybevételt bírnak ki, mint a ráégetett kivezetésűek. A FlexiCap emellett nagyobb védelmet nyújt a mechanikai repedésekkel szemben is, valamint olyan felhasználási területeken, ahol gyors hőmérséklet-változások fordulnak elő. A villanyjárművek tervezői számára az eredmény a hajlítás nagyobb mértékű tűrése a gyártás alatt lévő nyomtatott áramköri lapok kezelése során, ami a nagyobb termelékenységben és kevesebb helyszíni meghibásodásban mutatkozik meg.

A villanyjárművek esetében az is fontos, hogy a Knowles Syfer biztonsági tanúsítvánnyal rendelkező kondenzátorai AEC-Q200 minősítéssel is kaphatóak. Az alkatrészek akkor kapják meg az AEC-Q200 minősítést, ha megfelelnek a szigorú állóképességi teszteken. Ilyenek többek között a hőmérséklettűrést, a nedvességállóságot, a mérettűrést, az oldószerekkel szembeni ellenállást, a hősokk (hirtelen hőmérséklet-változás), a mechanikai ütések, a rezgések és az elektrosztatikus kisülések elviselését, a forraszthatóságot és a nyomtatott áramköri lap hajlíthatóságát vizsgáló tesztek.

Villamos szempontból a biztonsági tanúsítvánnyal rendelkező változatoknak magas, 4 kV egyen- (kV_DC) és 3 kV_RMS váltakozó dielektromos ellenállási feszültsége (DWV, dielectric withstand voltage) van. Ezek lényeges jellemzők a villanyjárművek 800 V-os töltőrendszerei esetében, ahol bőséges tesztelési és biztonsági tartalékokra van szükség.

Példák villanyjárművekben használható többrétegű kerámiakondenzátorokra

A Knowles Syfer tűrőképesebb, biztonsági tanúsítvánnyal rendelkező termékcsaládjában sokféle kapacitásértékű Flexicap kivezetésű és AEC-Q200 minősítésű kondenzátor van. Ezek különösen alkalmasak a villanyjárművekben való használatra. Például a 1808JA250101JKTSYX jelű alkatrész egy 100 pF-os C0G/NP0 kondenzátor, amelynek névleges feszültsége 250 V váltakozó feszültség (AC) az Y2 osztályú (vezeték és test között használható) és 305 V váltakozó feszültség az X1 osztályú (két vezeték között használható) kapcsolásoknál, ±5%-os tűréssel. Ez a kondenzátor egy 0,195 hüvelyk × 0,079 hüvelyk, azaz 4,95 mm × 2,00 mm méretű 1808-as tokban van elhelyezve (3. ábra).

3. ábra: A 1808JA250101JKTSYX többrétegű kerámiakondenzátor fizikai méretei (balra) és a hozzá ajánlott forrasztószem-kialakítás (jobbra) (ábra: Knowles Syfer)

A Knowles Syfer 1812Y2K00103KST egy jellegzetes X7R besorolású kondenzátor, egy 10 000 pF ±10% kapacitású, 2 kV névleges feszültségű alkatrész 4,5 mm × 3,2 mm × 2,5 mm méretű 1812-es tokban. Mind a 1808JA250101JKTSYX, mind a 1812Y2K00103KST típusú kondenzátor névleges hőmérséklet-tartománya –55 °C – +125 °C. A termékcsalád 1808-as, 1812-es, 2211-es, 2215-ös és 2220-as méretű tokban kapható, a használt dielektrikumtól, a kapacitásértéktől és a névleges feszültségtől függően.

További példaként említenénk még a Knowles Syfer 1808JA250101JKTS2X jelű, 100 pF kapacitású, 250 V névleges váltakozó feszültségű (X2 osztály), 1 kV névleges egyenfeszültségű, ±5%-os tűrésű C0G/NP0 kondenzátort. A 2220YA250102KXTB16 pedig egy 1000 pF kapacitású, ±10% tűrésű, 250 V névleges feszültségű X7R kondenzátor.

Megjegyzendő, hogy a FlexiCap kivezetésű kondenzátorok szerelésére és forrasztására vonatkozó gyártási követelmények megegyeznek a szokványos ráégetett kivezetésű kondenzátorokéval, így ezek a kondenzátorok nem igényelnek különleges kezelést. Emellett – és ismét a 3. ábrára hivatkozva – a Knowles lapkakondenzátorok az IPC-7351 (Generic Requirements for Surface Mount Design and Land Pattern Standards – A felületszerelésre vonatkozó általános követelmények és vezetőalakzat-szabványok) szabványnak megfelelő forrasztószem-elrendezéssel szerelhetők. Ezen túlmenően más tényezők is csökkentik a mechanikai igénybevételt, például a forrasztószem szélességének a lapka szélességénél kisebbre csökkentése.

Összegzés

A Knowles Syfer Flexicap kivezetésű, AEC-Q200 minősítésű többrétegű kerámiakondenzátorai jól használhatóak villanyjárművek rendszereiben, különösen a 800 V-os akkumulátorrendszerekhez, ahol a feszültség- és áramlökések és a tranziensállapotok kezeléséhez elengedhetetlen a nagyobb tesztfeszültség és biztonsági tartalék. A FlexiCap kivezetésnek köszönhetően ezek a kondenzátorok nagyobb mechanikai igénybevételt is képesek elviselni. Emiatt, és mert megfelelnek az AEC-Q200 szabványnak, a műszaki jellemzők, a stabilitás és a biztonsági tanúsítvány egyedülálló kombinációját kínálják a tervezőknek.