使用具有柔性端接的多层陶瓷电容器确保安全、可靠的电动汽车充电
发布时间：2023-6-25 10:26
发布者：eechina
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来源：Digi-Key 作者：Art Pini 虽然车辆中的电子元器件数量正在迅速增加，但行业的焦点往往是传感器、发动机控制单元 (ECU)、导航、舱内连接、音响以及高级驾驶辅助系统 (ADAS)。随着电动汽车 (EV) 成为主流，能够承受 800 伏以上电压并满足严格环境要求的高电压、高可靠性电子元器件已变得至关重要。这种需求直接落实到电容器层面。 除了符合 AEC-Q200 等抗应变标准外，汽车设计人员在选择电容器时必须根据具体应用考虑许多物理和电气特性。反馈环路需要采用具有紧公差且温度系数稳定的电容器。在高频应用中，必须具有低等效串联电感 (ESL)。在电力应用中，如果预期有高纹波电流，就需要采用低等效串联电阻 (ESR) 元件。对于电动车来说，最大限度地减小尺寸和重量也非常重要。 为此，可采用市面上获得安全认证的表面贴装多层陶瓷电容器 (MLCC)，这些器件符合包括 AEC-Q200 在内的多种国际安全规范和认证。 本文介绍 MLCC 电容器的结构以及电动汽车 MLCC 的要求。然后，说明固有尺寸和容积效率以及 FlexiCap 端接和高耐压等特点，如何帮助 MLCC 满足物理和电气要求。本文以 Knowles Syfer 的产品为例进行说明。 MLCC 的结构 MLCC 是表面贴装电容器，由多个独立的电容元件垂直堆叠而成，并以端部端接的方式并联。因此这些电容称为多层电容器（图 1）。 
图 1：MLCC 结构横截面图显示了在同一个封装中堆叠了多个电容器层。（图片来源：Knowles Syfer） 为了构造 MLCC，陶瓷电介质层通过使用筛选工艺形成，并与极性交替的电极交替使用。这样，就可构建许多层。通过这种多个正 (+) 和负 (-) 电极对的并联，可在一个相对较小的封装中构建大电容值。 其中，电极采用金属材质，具有高导电性。在制造过程中，要求电极不具有化学反应性并具有高熔点。为此，Knowles Syfer MLCC 电容器使用银和钯合金作为电极。 电介质还必须是良好的绝缘体。相对电容率或介电常数(er) 决定了给定的元件几何形状下可达到的电容。例如，Knowles Syfer 增强型安全认证表面贴装 MLCC 具有两类陶瓷电介质。第一类是 C0G/NP0，这是一种 EIA 1 类电介质，相对于 er 为 0 的真空电介质，其相对介电常数在 20 至 100 之间。第二种是 X7R，这是一种 EIA 2 类电介质，其 er 在 2000 和 3000 之间。作为比较，云母的 er 是 5.4，塑料膜的则是3。因此，电容值已知时，陶瓷电容器会更小。电介质的选择会影响到电容器在温度、应用电压和时间方面的稳定性。一般来说，er 越高，电容值越不稳定。 EIA 用字母数字分类法对 2 类电介质进行分类。第一个字母指定最低温度，中间数字表示最高温度，最后一个字母描述电容公差。X7R 电介质的解码为：最低温度为 -55°C，最高温度为 +125°C，电容公差为 ±15%。像 C0G 这样的 1 类电介质也有类似的编码。第一个字符是一个字母，给出了电容随温度变化的有效数字，单位是每百万分之一摄氏度 (ppm/℃)。对于 C0G 电介质，C 表示零 ppm/°C 有效数字（温度稳定性）。第二个数字是温度稳定性的乘数。0 表示乘数为 10-1。最后一个字母 G，定义了电容误差为 ±30ppm。 1 类电介质具有更高的精度和稳定性。其损耗也较低。2 类电介质的稳定性较差，但容积效率更高，从而可实现更大的单位体积电容。因此，高电容值 MLCC 电容器通常使用 2 类电介质。通过增强安全认证的 Knowles Syfer MLCC 根据所选电介质的不同可提供 4.7 pF 至 56 nF 的高电容范围，额定电压高至 305 VAC。 MLCC 的电容与电极的重叠面积以及陶瓷电介质的 er 成正比。电容与电介质的厚度成反比，而额定电压则与之成正比。因此，需要在电容、额定电压和电容器的物理尺寸之间进行权衡。 用于电动车的 MLCC MLCC 具有相对较低的 ESL 和 ESR，使其更适合高频应用，而且还有多种电介质可供选择，所以其电容值、容差范围可以根据具体的应用进行优化。这些器件是表面贴装元件，都采用了体积効率非常高的封装，从而有助于解决电动汽车的空间受限问题。相比铝电解电容和钽电容，这些电容器还具有很强的抗电压瞬变能力。 虽然 MLCC 已广泛使用，但如果受到振动或冲击造成的机械应力，可能会发生开裂现象。裂缝会使器件性能因湿潮湿而退化。Knowles Syfer 的设计人员通过采用 FlexiCap 端接方式解决了这一问题，因为该端接方式对元件的弯曲有更高的容忍度（图 2）。 
图 2：FlexiCap 设计在通常的端盖屏障下使用专有的柔性环氧树脂聚合物端接基底，可以在更大程度上承受电路板弯曲造成的损害。（图片来源：Knowles Syfer） FlexiCap 中使用的柔性端接基底是涂覆在电极上的。这种材料是一种含银的环氧树脂聚合物，使用传统的端接技术，然后进行热固化。这是一种柔性材料，可以吸收电路板和安装的 MLCC 之间的一些机械应变。 因此，与烧结端接器件相比，用 FlexiCap 端接的器件能承受更大的机械应变。FlexiCap 还能提供增强型保护，可在发生快速温度变化的应用中防止发生机械开裂。对于电动汽车设计者来说，其结果是在处理在制电路板过程中，可耐受更大的弯曲，从而提高产出率，减少现场故障。 对于电动汽车来说，重要的是 Knowles Syfer 的安全认证电容器具有 AEC-Q200 资质。如果零件通过了严格的应力测试，则可认为这些零件具有“AEC-Q200”认证，具体测试包括温度、热冲击、耐湿性、尺寸公差、耐溶剂性、机械冲击、振动、静电放电、可焊性和电路板弯曲等测试。 在电气方面，获得安全认证的产品线具有 4 kVDC 和 3 kVRMS 的高绝缘耐压 (DWV) 能力。这些都是电动车 800 V 充电系统的关键特性，需要广泛的测试和安全裕量。 用于电动汽车的 MLCC 实例 Knowles Syfer 提供的增强型安全认证产品线提供各种不同的电容值选择，都采用 Flexicap 端接并拥有 AEC-Q200 资质，使其特别适合电动车应用。例如，1808JA250101JKTSYX 是一款 100 pF C0G/NP0 电容器，其 250 VAC 额定电压版本适合 Y2 类（线对地）应用，305 VAC 版本适合 X1 类（线对线）应用，公差为 ±5%。该电容器采用大小为 0.195 x 0.079 in. 或 4.95 x 2.00 mm 的 1808 封装（图 3）。 
图 3：1808JA250101JKTSYX MLCC 尺寸（左）及推荐采用的焊盘布局（右）。（图片来源：Knowles Syfer） 典型的 X7R 电容器是 Knowles Syfer 1812Y2K00103KST，这是一款 10000 pF ±10% 2 kV 器件，采用 1812 封装，尺寸为 4.5 x 3.2 x 2.5 mm。1808JA250101JKTSYX 和 1812Y2K00103KST 电容器的额定温度范围均为 -55°C 至 +125°C。其外壳尺寸包括 1808、1812、2211、2215 和 2220 规格，具体取决于所使用的介质、电容值和额定电压。 其他产品如 Knowles Syfer 1808JA250101JKTS2X，这是一款 100 pF、250 V AC（X2 级）、1 kV DC C0G/NP0 电容器，其容差为 ±5%。2220YA250102KXTB16 是一款 1000 pF ±10% 250 V X7R 电容器。 请注意，安装和焊接 FlexiCap 端接电容器的制造要求与标准烧结端接 MLCC 相同，因此不需要特殊处理。此外，再次参考图 3，Knowle 贴片电容器可以使用符合 IPC-7351《表面贴装设计和焊盘布局标准的通用要求》的焊盘布局进行安装。此外，也有经证实可以减少机械应力的其他因素，如使焊盘宽度小于电容器宽度。 结束语 Knowles Syfer 通过 AEC-Q200 认证的 MLCC 非常适用于电动汽车应用，特别是 800 V 电池系统，在这种系统中，通过提高测试电压和安全系数来应对浪涌和瞬态情况是必不可少的。FlexiCap 端接使电容器能够应对更大的机械应力。就这一事实和满足 AEC-Q200 要求而言，这些器件为设计人员带来了一个能力、稳定性和安全认证的独特组合。 |
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