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Aprovechar los capacitores de cerámica para aumentar la densidad de potencia y la eficiencia de la conversión

Por Majeed Ahmad

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Desde los servidores de datos para la Internet de las Cosas (IoT) hasta los vehículos eléctricos (EV), los diseñadores de sistemas de energía permanecen bajo una presión constante para lograr una mayor densidad de potencia y eficiencia de conversión. Si bien gran parte de la atención se ha centrado en los dispositivos de conmutación de semiconductores para lograr estas mejoras, las características inherentes de los capacitores multicapa de cerámica (MLCC) hacen que también puedan desempeñar un papel importante para ayudar a los diseñadores a cumplir sus requisitos de diseño. Estas características incluyen bajas pérdidas, capacidad de manejo de alto voltaje y corriente de rizado, capacidad de resistencia de alto voltaje y alta estabilidad sobre temperaturas extremas de operación.

Este artículo describe la construcción de los MLCC y cómo los capacitores de cerámica potencian el manejo de la energía en los carriles de CC y CA, a la vez que complementan los semiconductores de conmutación rápida. También arroja luz sobre los dieléctricos de clase I y clase II y cómo permiten que los MLCC en miniatura sirvan a sistemas de energía como amortiguadores y convertidores resonantes.

Cómo se construyen los MLCC

Los CCML son dispositivos monolíticos construidos a partir de capas alternas de electrodos cerámicos dieléctricos y metálicos (Figura 1). Las capas laminadas de los CCML se construyen a altas temperaturas para producir un dispositivo de capacitancia sinterizado y volumétricamente eficiente. A continuación, se integra un sistema de barrera de terminación conductiva en los extremos expuestos del dispositivo para completar la conexión.

Imagen de los dieléctricos cerámicos clasificados según la estabilidad de la temperatura y la constante dieléctricaFigura 1: Los dieléctricos cerámicos se clasifican según la estabilidad de la temperatura y la constante dieléctrica. (Fuente de la imagen: KEMET)

La cerámica, los dispositivos no polares que ofrecen una mayor eficiencia volumétrica, puede ofrecer una mayor capacitancia en paquetes de menor tamaño. Además, son más fiables en las operaciones de alta frecuencia. Esto permite a los CCML proporcionar la combinación adecuada de dieléctrico, sistema de terminación, factor de forma y cribado.

Aún así, varios asuntos requieren la debida diligencia por parte de los diseñadores al elegir capacitores de cerámica para aplicaciones de alta densidad de potencia. Para empezar, la capacitancia puede verse afectada por la temperatura de funcionamiento, el sesgo de CC aplicado y el tiempo después del último calor. El tiempo después del último calor, por ejemplo, puede causar un cambio en la capacitancia, lo que lleva al envejecimiento del capacitor (Figura 2).

Código EIA PME (Electrodos de Metales Preciosos)
BME (Electrodos de Metal Base)
Envejecimiento típico (%/Década h) "Tiempo de arbitraje" típico (horas)
C0G PME/BME 0 N/A
X7R BME 2.0 1,000
X5R BME 5.0 48

Figura 2: Las tasas de envejecimiento en porcentaje de capacidad a lo largo del tiempo. (Fuente de la imagen: KEMET)

Más importante aún, las ondulaciones generadas por los dispositivos semiconductores de conmutación rápida IGBT o MOSFET pueden afectar al rendimiento porque cada capacitor tiene alguna impedancia y autoinducción. Por lo tanto, es imperativo que los capacitores limiten las fluctuaciones ya que los dispositivos como los inversores exigen esporádicamente fuertes corrientes, lo que exige una alta tolerancia a las corrientes de rizado.

Luego está la resistencia en serie efectiva del capacitor (ESR), una característica vital que representa la resistencia interna total como se especifica en una frecuencia y temperatura dadas. Al minimizar la ESR, un diseñador reduce la pérdida de energía debido a la generación de calor.

A continuación, una baja inductancia en serie efectiva (ESL) aumenta el rango de frecuencia operativa y permite una mayor miniaturización de los capacitores de cerámica. Juntos, una baja ESR y un bajo ESL aumentan la capacidad de manejo de energía de un capacitor y minimizan la parasitación del dispositivo. Además, contribuyen a reducir las pérdidas, lo que a su vez permite que los capacitores funcionen a altos niveles de corriente de rizado.

Otra consideración crítica de diseño es la elección del material dieléctrico. Esto determina el cambio de la capacidad sobre la temperatura (Figura 3). Mientras que los materiales dieléctricos de Clase I, como el C0G y el U2J, ofrecen dieléctricos más estables a la temperatura, tienen una constante dieléctrica más baja (K). Por otro lado, los materiales de clase II, como el X7R y el X5R, presentan una estabilidad de rango medio, así como un valor K, al tiempo que ofrecen valores de capacitancia mucho más altos.

Gráfico de materiales dieléctricos de clase I y clase IIFigura 3: Los materiales dieléctricos de clase I y clase II difieren principalmente en términos de cuánta capacidad cambiará en una temperatura específica. (Fuente de la imagen: KEMET)

Sin embargo, para los sistemas de energía de conmutación rápida, cuanto más alta sea la frecuencia de funcionamiento, menor será la capacidad necesaria para entregar la energía. Esto permite que los capacitores de cerámica de baja K sustituyan a los voluminosos capacitores de película de alta capacitancia, aumentando significativamente la densidad de potencia. Estos capacitores de cerámica vienen en huellas más pequeñas, por lo que pueden montarse más cerca de los semiconductores de conmutación rápida, mientras que requieren una mínima refrigeración en aplicaciones de alta densidad de potencia.

Los MLCC dieléctricos de clase I

Los capacitores KC-LINK de KEMET como el CKC33C224KCGACAUTO (0.22 microfaradio (µF), 500 voltios), el CKC33C224JCGACAUTO (0.22 µF, 500 voltios), y el CKC18C153JDGACAUTO (15 nanofaradios (nF), 1000 voltios) son buenos ejemplos de la Clase 1. Utilizan material dieléctrico de circonato de calcio de clase 1 que facilita un funcionamiento extremadamente estable sin pérdida de capacidad debido a la frecuencia de conmutación, el voltaje aplicado o la temperatura ambiente. El material dieléctrico de circonato de calcio de baja pérdida también minimiza los efectos del envejecimiento porque no hay un cambio de capacidad con el tiempo.

Los capacitoresKC-LINK utilizan la tecnología dieléctrica C0G para lograr una muy baja ESR y la capacidad de manejar una muy alta corriente de rizado que es necesaria para los diseños de alta densidad de potencia. La alta resistencia mecánica permite que estos capacitores de cerámica de clase I se monten sin el uso de marcos de plomo, lo que también contribuye a un ESL extremadamente bajo.

Estos capacitores de cerámica pueden funcionar con corrientes de rizado muy altas sin cambio en la capacitancia frente al voltaje de CC, y con un cambio insignificante en la capacitancia frente a un rango de temperatura de funcionamiento de -55 °C a 150 °C. Están disponibles con valores de capacitancia que van desde 4.7 nF a 220 nF, y valores de voltaje que van desde 500 voltios a 1,700 voltios (Figura 4).

El gráfico de los capacitores de cerámica KC-LINK de KEMET se puede colocar más cerca de los semiconductores de conmutación rápida.Figura 4: Con una temperatura de funcionamiento de 150 °C, los capacitores de cerámica KC-LINK pueden colocarse más cerca de los semiconductores de conmutación rápida en aplicaciones de alta densidad de potencia que requieren una mínima refrigeración. (Fuente de la imagen: KEMET)

Aquí, vale la pena señalar que los capacitores KC-LINK, que se basan en material dieléctrico de Clase 1, ofrecen una menor capacitancia en el chip que los capacitores de Clase 2 de tamaño equivalente. Por lo tanto, si se necesita más capacitancia, se pueden unir múltiples capacitores KC-LINK en una única estructura monolítica para crear un empaquetamiento de mayor densidad.

El resultado de esta consolidación de los capacitoers es una solución de bajo ruido similar a la del KC-LINK, pero con hasta un 125 por ciento más de capacidad. Los capacitores de montaje superficial KONNEKT de KEMET, también basados en un material dieléctrico de Clase I, proporcionan valores de capacitancia más altos que van desde 100 picofaradios (pF) hasta 0.47 µF. Retienen más del 99% de su capacidad nominal a los voltajes nominales y son muy adecuados para aplicaciones críticas en cuanto al tiempo y sujetas a ciclos de temperatura y flexión del tablero.

Apilar los MLCC para obtener más capacidad

Los capacitores de cerámica de KONNEKT, incluyendo el C1812C145J5JLC7805, el C1812C944J5JLC7800 y el C1812C944J5JLC7805, se crean apilando vertical u horizontalmente de dos a cuatro capacitores de cerámica, conservando la integridad del dispositivo. El capacitor de cerámica C1812C944J5JLC7800 ofrece una capacitancia de 0.94 µF apilando dos dispositivos, mientras que el capacitor de cerámica C1812C145J5JLC7805 lleva el valor de la capacitancia a 1.4 µF con tres dispositivos apilados.

Estos CCML utilizan el material de sinterización en fase líquida transitoria (TLPS) para unir las terminaciones de los componentes y crear así una solución multichip sin plomo. La solución multichip sin plomo hace que el capacitor sea compatible con los procesos de reflujo existentes. El TLPS, un enlace compuesto de matriz metálica hecho de material de cobre y estaño, se utiliza como sustituto de la soldadura. Forma un vínculo metalúrgico entre dos superficies, en este caso, las capas U2J.

El hecho de que los capacitores puedan integrarse en ambas orientaciones minimiza la huella de los componentes y maximiza la capacitancia aparente de un dispositivo MLCC apilado (Figura 5), lo que permite que los capacitores de cerámica de KONNEKT alcancen el rango de capacitancia que antes solo era posible con materiales dieléctricos de clase II como X5R y X7R.

Imagen de los MLCC apilados para aumentar la capacitanciaFigura 5: Los MLCC pueden apilarse para aumentar la capacidad y colocarse en una orientación de baja pérdida para disminuir la ESR y el ESL. (Fuente de la imagen: KEMET)

En una orientación de bajas pérdidas, se convierte menos energía eléctrica en calor, lo que a su vez mejora la eficiencia energética y aumenta aún más la capacidad de manejo de la energía de un capacitor. La orientación de baja pérdida también disminuye tanto la ESR como el ESL y por lo tanto aumenta la capacidad de un capacitor de cerámica para manejar las corrientes de rizado.

El uso de material TLPS, combinado con un dieléctrico ultra estable, permite a los capacitores de cerámica manejar corrientes de rizado extremadamente altas en el rango de cientos de kilohercios. Por ejemplo, con el capacitor C1812C145J5JLC7805 U2J de 1.4 μF de KONNEKT, el ESL es de 1.6 nanohenrio (nH) cuando se monta en la orientación estándar, pero se reduce a 0.4 nH en la orientación de baja pérdida. Asimismo, en la orientación de bajas pérdidas, la ESR se reduce de 1.3 miliohm (mΩ) a 0.35 mΩ, disminuyendo las pérdidas del sistema y limitando el aumento de la temperatura.

Los capacitores de montaje superficial U2J KONNEKT de KEMET limitan su cambio de capacidad a -750 ±120 partes por millón (ppm)/°C a través de temperaturas que van desde -55 °C a +125 °C. Esto permite que el capacitor de cerámica U2J muestre un cambio insignificante en la capacitancia frente al voltaje de CC y un cambio lineal predecible en la capacitancia con respecto a la temperatura ambiente.

Capacitores de cerámica de línea de CA

Los capacitores de cerámica mencionados en las secciones anteriores estabilizan y suavizan el voltaje y la corriente en los rieles de CC y así evitan los picos de desacoplamiento causados por la rápida conmutación. Sin embargo, los capacitores de cerámica también se utilizan en el filtrado de líneas de CA, en los convertidores de CA/CC y en los circuitos de corrección del factor de potencia (PFC).

Aquí, es importante señalar que los capacitores de cerámica de línea de CA vienen en formatos de seguridad y no de seguridad. Si bien los capacitores de seguridad suprimen el ruido eléctrico y protegen los diseños de las sobretensiones y los transitorios, no se dispone de niveles de capacitancia/voltaje (CV) más altos en estos CCMT con certificación de seguridad.

Los capacitores de cerámica de CA no aptos para la seguridad, disponibles en una variedad de tamaños y valores de CV, pueden utilizarse para un uso continuo en condiciones de línea de CA. Los capacitores de cerámica de la serie CAN de KEMET están cualificados para condiciones de línea de CA de 250 VCA a frecuencias de línea de 50/60 Hz y otras aplicaciones no relacionadas con la seguridad.

Imagen de los capacitores de línea de CA de la serie KEMET CANFigura 6: Los capacitores de línea de CA de la serie CAN ofrecen una baja corriente de fuga y una baja ESR a frecuencias más altas. (Fuente de la imagen: KEMET)

Los capacitores de línea de CA ofrecen una baja corriente de fuga y una baja ESR a altas frecuencias (Figura 6). Cubren tanto las aplicaciones de línea a línea (Clase X) como las de línea a tierra (Clase Y), y cumplen con los criterios de impulso descritos en la norma IEC 60384.

La serie CAN de capacitores de cerámica está disponible en dieléctricos X7R y C0G. El dieléctrico C0G, como se muestra en el caso de los capacitores de enlace de CC, no muestra ningún cambio en la capacitancia con respecto al tiempo y el voltaje, y solo muestra un cambio insignificante en la capacitancia con respecto a la temperatura ambiente. Por otro lado, en capacitores de cerámica como el CAN12X153KARAC7800 y el CAN12X223KARAC7800, X7R exhibe un cambio predecible en la capacidad con respecto al tiempo y el voltaje, y presenta un cambio mínimo en la capacidad debido a la temperatura ambiente.

El capacitor de cerámica CAN12X153KARAC7800 ofrece un valor de capacitancia de 0.015 µF, mientras que el dispositivo CAN12X223KARAC7800 tiene una capacitancia de 0.022 µF. Ambos dispositivos MLCC ofrecen una tolerancia del 10%.

Conclusión

A medida que los sistemas de suministro de energía continúan reduciéndose y empaquetando más energía en factores de forma más pequeños, los MLCC están desempeñando un papel crucial en diseños que van desde las fuentes de alimentación de los servidores hasta los cargadores inalámbricos y los inversores de energía. Suavizan el voltaje de CC y CA, estabilizan las ondulaciones de corriente y aseguran la gestión térmica en los diseños de energía que buscan mejorar la eficiencia de la conversión. Como se muestra aquí, la elección de dieléctricos de Clase I y Clase II proporciona a los MLCC un apalancamiento para adaptar la capacitancia y otros parámetros críticos como la ESR y el ESL según las necesidades específicas de la aplicación.

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Acerca de este autor

Majeed Ahmad

Majeed Ahmad es un ingeniero electrónico con más de 20 años de experiencia en medios tecnológicos B2B. Fue el jefe de editores de EE Times Asia, una publicación complementaria de EE Times.

Majeed escribió seis libros sobre electrónica. También contribuye a las publicaciones sobre diseño electrónico, entre ellos circuitos, productos electrónicos y diseño informático integrado.

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