Colaboración de Editores de DigiKey de América del Norte
Aunque la cantidad de componentes electrónicos en los vehículos aumenta rápidamente, la industria ha tendido a centrarse en los sensores, las unidades de control del motor (ECU), la navegación, la conectividad en cabina, el audio y los sistemas avanzados de asistencia al conductor (ADAS). A medida que los EV (vehículos eléctricos) se vuelven cada vez más comunes, los componentes electrónicos de alto voltaje y alta confiabilidad que pueden tolerar más de 800 voltios y, al mismo tiempo, cumplir con los estrictos requisitos ambientales se han vuelto muy importantes. Esta necesidad se aplica hasta el nivel de los capacitores.
Además de cumplir normas, como la AEC-Q200 sobre resistencia a la tensión, los diseñadores de automóviles que seleccionan capacitores deben tener en cuenta muchas características físicas y eléctricas en función de la aplicación específica. Para los bucles de realimentación se necesitan capacitores con tolerancias ajustadas y coeficientes de temperatura estables. En aplicaciones de alta frecuencia, la inductancia en serie equivalente (ESL) debe ser baja. En aplicaciones de potencia, se necesitan componentes con resistencia equivalente en serie (ESR) baja si se prevén altas corrientes de ondulación. Para los vehículos eléctricos, minimizar el tamaño y el peso también es importante.
Para dar respuesta a estos requisitos, ya están disponibles condensadores cerámicos multicapa (MLCC) de montaje en superficie con certificación de seguridad que cumplen múltiples especificaciones y certificaciones de seguridad internacionales, incluida la AEC-Q200.
Este artículo describe la estructura de los capacitores MLCC y lo que se requiere de ellos para los vehículos eléctricos. A continuación, muestra cómo el tamaño y la eficiencia volumétrica inherentes, así como características como la terminación FlexiCap y los altos voltajes de resistencia, ayudan a los MLCC a cumplir los requisitos físicos y eléctricos. Se ofrecen ejemplos reales de Knowles Syfer.
La estructura de los MLCC
Los MLCC son capacitores de montaje superficial que constan de varios elementos de capacitores individuales apilados verticalmente y conectados en paralelo por las terminaciones finales. De ahí el término multicapa (figura 1).
Figura 1: Vista transversal de la estructura de un MLCC que muestra múltiples capas de capacitores apiladas en un encapsulado común. (Fuente de la imagen: Knowles Syfer)
Para construir un MLCC, las capas del dieléctrico cerámico se construyen mediante un proceso de cribado alternado con electrodos de polaridad alterna. Esto permite crear un gran número de capas. La conexión en paralelo de estos múltiples pares de electrodos positivos (+) y negativos (-) permite fabricar grandes valores de capacitancia en un paquete relativamente pequeño.
Los electrodos son metálicos y altamente conductores. El proceso de fabricación requiere que los electrodos sean químicamente irreactivos y tengan un punto de fusión elevado. Para ello, los capacitores MLCC de Knowles Syfer utilizan una combinación de plata y paladio como electrodos.
Los dieléctricos también deben ser buenos aislantes. La permitividad relativa -o constante dieléctrica (er)- determina la capacitancia alcanzable para una geometría de componente dada. Por ejemplo, los MLCC de montaje en superficie con certificación de seguridad mejorada de Knowles Syfer vienen con dos clases de dieléctricos cerámicos. El primero es el C0G/NP0, un dieléctrico de clase 1 de la EIA, que tiene una permitividad de entre 20 y 100, en relación con la permitividad del vacío que tiene una er de 0. El segundo es X7R, un dieléctrico EIA clase 2, con una er de entre 2000 y 3000. A modo de comparación, la er de la mica es de 5.4, y la de la película de plástico, de 3. Por tanto, el capacitor de cerámica será más pequeño para un valor de capacitancia dado. La selección del dieléctrico afecta a la estabilidad del capacitor con respecto a la temperatura, el voltaje aplicado y el tiempo. En general, cuanto mayor es la er, menos estable es el valor de capacitancia.
La EIA clasifica los dieléctricos de clase 2 con una clasificación alfanumérica. La primera letra designa la temperatura mínima, el número indica la temperatura máxima y la letra final describe la tolerancia de capacitancia. El dieléctrico X7R se decodifica para tener una temperatura mínima de -55 °C, una temperatura máxima de +125 °C y una tolerancia de capacitancia de ±15%. Los dieléctricos de clase 1 como el C0G tienen una codificación similar. El primer carácter, una letra, da la cifra significativa del cambio de capacitancia con la temperatura en partes por millón por grado Celsius (ppm/°C). Para el dieléctrico C0G, la C representa una cifra significativa de cero ppm/°C para la estabilidad de la temperatura. El segundo número es el multiplicador de la estabilidad de la temperatura. El 0 indica un multiplicador de 10-1. La última letra, G, define el error de capacitancia de ±30 ppm.
Los dieléctricos de clase 1 ofrecen mayor precisión y estabilidad. También presentan menores pérdidas. Los dieléctricos de clase 2 son menos estables pero ofrecen una mayor eficiencia volumétrica, lo que proporciona una mayor capacitancia por unidad de volumen. Por consiguiente, los condensadores MLCC de mayor valor suelen utilizar dieléctricos de clase 2. Los MLCC con certificación de seguridad mejorada de Knowles Syfer tienen un alto rango de capacitancia de 4.7 picofaradios (pF) a 56 nanofaradios (nF), dependiendo de la elección del dieléctrico, y valores nominales de voltaje de hasta 305 voltios de corriente alterna (VCA).
La capacitancia de un MLCC es directamente proporcional al área de solapamiento de los electrodos, así como a la er del dieléctrico cerámico. La capacitancia es inversamente proporcional al grosor del dieléctrico, mientras que el valor nominal de voltaje es proporcional a éste. Por lo tanto, hay compensaciones entre la capacitancia, el voltaje nominal y el tamaño físico del capacitor.
MLCC para vehículos eléctricos
Los MLCC tienen ESL y ESR relativamente bajos, lo que les permite ser ideales para aplicaciones de alta frecuencia, y con una amplia selección de dieléctricos, los valores de capacitancia y el rango de tolerancia pueden optimizarse para la aplicación. Son componentes de montaje en superficie con encapsulados muy eficientes desde el punto de vista volumétrico, lo que les ayuda a hacer frente a las limitaciones de espacio de los vehículos eléctricos. También son muy resistentes a los transitorios de voltaje en comparación con los capacitores electrolíticos de aluminio y tantalio.
Aunque los MLCC se utilizan ampliamente, si se someten a tensiones mecánicas debidas a vibraciones o golpes, pueden agrietarse. Las grietas exponen al dispositivo a la degradación a través de la contaminación por humedad. Los diseñadores de Knowles Syfer han abordado este problema al crear las terminaciones FlexiCap que ofrecen una mayor tolerancia a la flexión de los componentes (Figura 2).
Figura 2: El diseño FlexiCap utiliza una base de terminación de polímero epoxi flexible patentada bajo la barrera de tapa terminal habitual para ofrecer una mayor resistencia a los daños debidos a la flexión de la placa. (Fuente de la imagen: Knowles Syfer)
La base de terminación flexible utilizada en FlexiCap se aplica sobre los electrodos. Este material es un polímero epoxi cargado de plata que se aplica mediante técnicas de terminación convencionales y, a continuación, se cura con calor. Es flexible y absorbe parte de la tensión mecánica entre la placa y el MLCC montado.
Como resultado, los componentes terminados con FlexiCap soportan mayores niveles de tensión mecánica en comparación con los componentes terminados sinterizados. FlexiCap también ofrece una mayor protección contra el agrietamiento mecánico y en aplicaciones en las que se producen cambios rápidos de temperatura. Para los diseñadores de vehículos eléctricos, el resultado es un mayor grado de tolerancia a la flexión en la manipulación de las placas en proceso, lo que se traduce en un mayor rendimiento y menos fallos sobre el terreno.
También importante para los vehículos eléctricos, los capacitores certificados de seguridad de Knowles Syfer están disponibles con la cualificación AEC-Q200. Las piezas se consideran «aptas para AEC-Q200» si han superado el riguroso conjunto de pruebas de temperatura, choque térmico, resistencia a la humedad, tolerancia dimensional, resistencia a disolventes, golpes mecánicos, vibraciones, descargas electrostáticas, soldabilidad y flexión de la placa, entre otras.
Desde el punto de vista eléctrico, la línea certificada de seguridad presenta un alto voltaje dieléctrico de resistencia (DWV) de 4 kilovoltios de corriente continua (kVDC) y 3 kVRMS. Se trata de características críticas para los sistemas de carga de 800 voltios de vehículo eléctrico, en los que se necesitan amplios márgenes de prueba y seguridad.
Ejemplos de MLCC para vehículo eléctrico
De la línea certificada de seguridad mejorada de Knowles Syfer, un amplio rango de valores de capacitores presentan tanto terminación Flexicap como cualificación AEC-Q200, lo que los hace especialmente adecuados para aplicaciones de vehículos eléctricos. Por ejemplo, el 1808JA250101JKTSYX es un capacitor C0G/NP0 de 100 pF con una tensión nominal de 250 voltios CA para aplicaciones de clase Y2 (línea a tierra), y 305 voltios CA en aplicaciones de clase X1 (línea a línea), con una tolerancia de ±5%. Está alojado en un receptáculo 1808 con unas dimensiones de 0.195 x 0.079 pulgadas, o 4.95 x 2.00 milímetros (mm) (Figura 3).
Figura 3: Se muestran las dimensiones físicas del MLCC 1808JA250101JKTSYX (izquierda) junto con la disposición recomendada de las almohadillas de soldadura (derecha). (Fuente de la imagen: Knowles Syfer)
Un capacitor X7R típico es el 1812Y2K00103KST de Knowles Syfer, un dispositivo de 10000 pF ±10% 2 kV en un encapsulado 1812 con unas dimensiones de 4.5 x 3.2 x 2.5 mm. Tanto el capacitor 1808JA250101JKTSYX como el 1812Y2K00103KST tienen un rango de temperatura nominal de -55 °C a +125 °C. La línea de productos está disponible en tamaños de caja 1808, 1812, 2211, 2215 y 2220, según el dieléctrico utilizado, el valor de capacitancia y el voltaje nominal.
Otros ejemplos incluyen el 1808JA250101JKTS2X de Knowles Syfer, un capacitor de 100 pF, 250 voltios CA (Clase X2), 1 kV CC, C0G/NP0 con una tolerancia de ±5%. El 2220YA250102KXTB16 es un capacitor X7R de 1000 pF ±10% y 250 voltios.
Tenga en cuenta que los requisitos de fabricación para montar y soldar capacitores con terminación FlexiCap son idénticos a los de un MLCC con terminación sinterizada estándar, por lo que no requieren un manejo especial. Además, y haciendo referencia nuevamente a la Figura 3, los capacitores de chip Knowles pueden montarse utilizando diseños de pastillas que se ajusten a IPC-7351, requisitos genéricos para el diseño de montaje en superficie y estándares de patrones de tierra. Además, se ha demostrado que otros factores reducen la tensión mecánica, como la reducción de la anchura de la almohadilla a menos de la anchura del chip.
Conclusión
Los MLCC con certificación AEC-Q200 de Knowles Syfer Flexicap son idóneos para aplicaciones de vehículos eléctricos, especialmente sistemas de baterías de 800 voltios en los que es esencial un mayor margen de seguridad y tensión de prueba para hacer frente a sobretensiones y transitorios. La terminación FlexiCap permite que los capacitores puedan soportar mayores niveles de tensión mecánica. Como tales, y cumpliendo la norma AEC-Q200, ofrecen a los diseñadores una combinación única de capacidad, estabilidad y certificación de seguridad.
