Para los EV, los capacitores cerámicos multicapa de 800 voltios con terminaciones flexibles garantizan una carga segura y confiable

Si bien la cantidad de componentes electrónicos en los vehículos aumenta rápidamente, la industria ha tendido a centrarse en los sensores, las ECU (unidades de control del motor), la navegación, la conectividad en la cabina, el audio y, por supuesto, los ADAS (sistemas avanzados de asistencia al conductor). 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 del capacitor, donde se deben cumplir estándares como el AEC-Q200.

Afortunadamente, los fabricantes de componentes conocen la importancia de los requisitos. Por ejemplo, la línea de productos de MLCC (capacitores cerámicos multicapa de montaje en superficie) con certificación de seguridad de Knowles Syfer ofrece capacitores que cumplen con múltiples especificaciones y certificaciones de seguridad internacionales, incluido el estándar AEC-Q200. También han introducido componentes que tienen perfiles más bajos y ocupan menos espacio en la placa, características fundamentales para aplicaciones con limitaciones de espacio. Además, la terminación FlexiCap de los capacitores reduce el riesgo de grietas mecánicas cuando están en placas sujetas a vibraciones y golpes, lo que los hace ideales para aplicaciones de EV. Echemos un vistazo más de cerca a la tecnología de MLCC para comprender sus ventajas.

La estructura de los MLCC

Los MLCC son capacitores de montaje en superficie que están estructurados con una cantidad de elementos de capacitores individuales apilados verticalmente y conectados en paralelo por las terminaciones finales (Figura 1).

Figura 1: Una vista transversal de la estructura de un MLCC que muestra varios capacitores apilados en un paquete común. (Fuente de la imagen: Knowles Syfer)

La conexión en paralelo de múltiples pares de electrodos + y - permite la fabricación de grandes valores de capacitancia en un paquete relativamente pequeño.

Los electrodos son metálicos y altamente conductores. El proceso de fabricación requiere que los electrodos no reaccionen químicamente y tengan un alto punto de fusión. 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 (e_r) del dieléctrico determina la capacitancia alcanzable para una geometría de componente determinada. Los MLCC de Knowles Syfer ofrecen dos clases de dieléctricos cerámicos. El primero es el C0G/NP0, un dieléctrico EIA de clase 1, que tiene una permitividad relativa de entre 20 y 100, en relación con la permitividad de un vacío que tiene una e_r de 0. El segundo es el X7R, un dieléctrico EIA de clase 2, con una e_r de entre 2000 y 3000. La selección de los dieléctricos afecta la estabilidad del capacitor con respecto a la temperatura, el voltaje aplicado y el tiempo. En general, cuanto mayor sea la e_r, menos estable será el valor de la 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 letra final, la 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. Como consecuencia, los capacitores MLCC de mayor valor generalmente usan 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) según la elección del dieléctrico, y clasificaciones de hasta 305 voltios de VCA (corriente alterna). Veamos algunos componentes típicos de los MLCC.

Ejemplos de MLCC

El 1808JA250101JKTSYX de Knowles Syfer es un capacitor C0G/NP0 de 100 pF con un voltaje nominal de 250 VCA para aplicaciones de clase Y2 (línea a tierra) y 305 VCA en aplicaciones de clase X1 (línea a línea). Este capacitor tiene una tolerancia de ±5%. Está alojado en un paquete 1808 con dimensiones de 4.95 x 2 x 1.5 milímetros (mm). Un capacitor X7R típico es el 2220JA250103KXTB17 de Knowles Syfer, un dispositivo de 250 voltios de 10000 pF ±10% en un paquete 2220 con dimensiones de 5.7 x 5 x 2.5 mm. Ambos tipos de capacitores 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.

Si bien los MLCC se usan ampliamente en circuitos electrónicos, un aspecto preocupante es que son frágiles y, si se someten a tensión mecánica, 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 patentada de polímero epoxi flexible debajo de la barrera habitual de la tapa terminal para proporcionar una mayor resistencia al daño debido 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 con plata que se aplica utilizando técnicas de terminación convencionales y, luego, se cura con calor. Es flexible y absorbe parte de la tensión mecánica entre la placa y el MLCC montado. Los componentes con terminaciones FlexiCap soportan mayores niveles de tensión mecánica en comparación con los componentes con terminaciones sinterizadas. Esto beneficia al usuario al brindar un mayor grado de tolerancia a la flexión en el manejo de placas en proceso, lo que se traduce en mayores rendimientos y menos fallas en el campo.

El 1808JA250101JKTS2X de Knowles Syfer es un capacitor FlexiCap, 100 pF, 250 VCA (clase X2), 1 kilovoltio (kV) de CC, C0G/NP0 con una tolerancia de capacitancia de ±5%. Tenga en cuenta que las dimensiones físicas son idénticas al MLCC de 100 pF citado anteriormente: FlexiCap no tiene impacto sobre el tamaño del capacitor. El 2220YA250102KXTB16 de Knowles Syfer es un capacitor X7R de 1000 pF ±10% de 250 voltios que también incorpora la terminación FlexiCap. 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.

Por qué los MLCC son adecuados para los EV

Los MLCC con FlexiCap son ideales para entornos de EV donde las placas de circuito están sujetas a transitorios eléctricos, golpes, vibraciones y amplios rangos de temperatura. Toda la gama de valores de capacitores de Knowles Syfer está disponible con la calificación automotriz AEC-Q200. Se considera que las piezas tienen “calificación AEC-Q200” si han superado el conjunto estricto de pruebas de tensión contenidas en el estándar. Estas pruebas incluyen temperatura, choque térmico, resistencia a la humedad, tolerancia dimensional, resistencia a disolventes, impacto mecánico, vibración, descarga electrostática, soldabilidad y flexión de la placa, entre otras.

Conclusión

Los MLCC con calificación AEC-Q200 de Knowles Syfer son ideales para aplicaciones de EV, especialmente los sistemas de batería de 800 voltios donde son esenciales un mayor voltaje de prueba y un margen de seguridad. Como tales, ofrecen a los diseñadores una combinación única de capacidad, estabilidad y certificación de seguridad.