Garantir la charge sûre et fiable des VE grâce à des condensateurs céramique multicouches à terminaisons flexibles

Alors que la quantité d'électronique dans les véhicules augmente rapidement, l'industrie a tendance à se concentrer sur les capteurs, les calculateurs moteurs (ECU), la navigation, la connectivité dans l'habitacle, l'audio et les systèmes d'aide à la conduite (ADAS). Avec la généralisation des véhicules électriques (VE), les composants électroniques haute tension et haute fiabilité, capables de tolérer jusqu'à 800 volts (V) tout en répondant à des exigences environnementales strictes, sont devenus essentiels. Ce besoin s'applique jusqu'au niveau du condensateur.

Outre la conformité à des normes telles qu'AEC-Q200 pour la résistance aux contraintes, les concepteurs automobiles qui sélectionnent les condensateurs doivent tenir compte de nombreuses caractéristiques physiques et électriques en fonction de l'application spécifique. Des condensateurs avec une tolérance étroite et des coefficients de température stables sont requis pour les boucles de rétroaction. Dans les applications haute fréquence, l'inductance série équivalente (ESL) doit être faible. Dans les applications d'alimentation, des composants à faible résistance série équivalente (ESR) sont nécessaires si de forts courants d'ondulation sont anticipés. Pour les véhicules électriques, il est également important de minimiser la taille et le poids.

Pour répondre à ces exigences, des condensateurs céramique multicouches (MLCC) à montage en surface et à sécurité certifiée, conformes à plusieurs spécifications et certifications de sécurité internationales, y compris AEC-Q200, sont désormais disponibles.

Cet article décrit la structure des condensateurs MLCC et les exigences MLCC pour les véhicules électriques. Il explique ensuite comment la taille et le rendement volumétrique inhérents, ainsi que des fonctionnalités telles que la terminaison FlexiCap et les hautes tensions de tenue, aident les MLCC à répondre aux exigences physiques et électriques. Des exemples concrets de Knowles Syfer sont fournis.

Structure des MLCC

Les MLCC sont des condensateurs à montage en surface qui comprennent plusieurs éléments de condensateur individuels empilés verticalement et connectés en parallèle par les terminaisons. D'où le terme multicouche (Figure 1).

Figure 1 : Vue en coupe de la structure d'un MLCC montrant plusieurs niveaux de condensateurs empilés dans un boîtier commun. (Source de l'image : Knowles Syfer)

Pour construire un MLCC, des couches de diélectrique céramique sont constituées à l'aide d'un processus de contrôle alternant avec des électrodes de polarité alternée. Cela permet de créer un très grand nombre de couches. La connexion en parallèle de ces multiples paires d'électrodes positives (+) et négatives (-) permet de produire de grandes valeurs de capacité dans un boîtier relativement compact.

Les électrodes sont métalliques et hautement conductrices. Le processus de fabrication exige que les électrodes soient chimiquement non réactives et qu'elles aient un point de fusion élevé. Pour cela, les condensateurs MLCC de Knowles Syfer utilisent une combinaison d'argent et de palladium comme électrodes.

Les diélectriques doivent également être de bons isolants. La permittivité relative — ou constante diélectrique (e_r) — détermine la capacité pouvant être atteinte pour une géométrie de composant donnée. Par exemple, les MLCC à montage en surface à certification de sécurité avancée de Knowles Syfer sont proposés avec deux classes de diélectriques en céramique. La première est C0G/NP0, un diélectrique EIA de classe 1, qui a une permittivité comprise entre 20 et 100, par rapport à la permittivité du vide qui a une valeur e_r de 0. La seconde est X7R, un diélectrique EIA de classe 2, avec une valeur e_r comprise entre 2000 et 3000. À titre de comparaison, la valeur e_r du mica est de 5,4 et celle du film plastique de 3. Ainsi, le condensateur céramique sera plus petit pour une valeur de capacité donnée. Le choix du diélectrique affecte la stabilité du condensateur par rapport à la température, à la tension appliquée et au temps. En général, plus la valeur e_r est élevée, moins la valeur de capacité est stable.

L'EIA classe les diélectriques de classe 2 selon une classification alphanumérique. La première lettre désigne la température minimum, le chiffre indique la température maximum et la dernière lettre décrit la tolérance de capacité. Le diélectrique X7R se décode ainsi : une température minimum de -55°C, une température maximum de +125°C et une tolérance de capacité de ±15 %. Les diélectriques de classe 1, comme C0G, ont un codage similaire. Le premier caractère, une lettre, donne la valeur significative du changement de capacité avec la température en parties par million par degré Celsius (ppm/°C). Pour le diélectrique C0G, le C représente un chiffre significatif de zéro ppm/°C pour la stabilité en température. Le deuxième chiffre est le multiplicateur de la stabilité en température. Le 0 indique un multiplicateur de 10^-1. La dernière lettre, G, définit l'erreur de capacité de ±30 ppm.

Les diélectriques de classe 1 offrent une précision et une stabilité supérieures. Ils présentent également des pertes plus faibles. Les diélectriques de classe 2 sont moins stables, mais offrent un rendement volumétrique supérieur, ce qui permet d'obtenir une plus grande capacité par volume unitaire. Par conséquent, les condensateurs MLCC de valeur supérieure utilisent généralement des diélectriques de classe 2. Les condensateurs MLCC de Knowles Syfer certifiés pour une sécurité renforcée ont une plage de capacité élevée de 4,7 picofarads (pF) à 56 nanofarads (nF), selon le choix du diélectrique, et des tensions nominales jusqu'à 305 VCA.

La capacité d'un MLCC est directement proportionnelle à la zone de superposition des électrodes, ainsi qu'à la valeur e_r du diélectrique céramique. La capacité est inversement proportionnelle à l'épaisseur du diélectrique, tandis que la tension nominale lui est proportionnelle. Il existe donc des compromis entre la capacité, la tension nominale et la taille physique du condensateur.

MLCC pour véhicules électriques

Les MLCC ont des valeurs ESL et ESR relativement faibles, ce qui les rend mieux adaptés aux applications haute fréquence, et avec un large choix de diélectriques, les valeurs de capacité et la plage de tolérance peuvent être optimisées en fonction de l'application. Il s'agit de composants à montage en surface avec des boîtiers à très haut rendement volumétrique, ce qui leur permet de répondre aux contraintes d'espace dans les véhicules électriques. Ces composants sont également très résistants aux transitoires de tension par rapport aux condensateurs tantale et électrolytiques aluminium.

Bien que les MLCC soient largement utilisés, ils peuvent se fissurer s'ils sont soumis à des contraintes mécaniques dues à des vibrations ou à des chocs. Les fissures exposent le dispositif à une dégradation due à la contamination par l'humidité. Les concepteurs de Knowles Syfer ont résolu ce problème en créant les terminaisons FlexiCap qui offrent une meilleure tolérance à la flexion des composants (Figure 2).

Figure 2 : La conception FlexiCap utilise une base de terminaison polymère époxy flexible propriétaire sous la barrière standard pour offrir une plus grande résistance aux dommages dus à la flexion de la carte. (Source de l'image : Knowles Syfer)

La base de terminaison flexible utilisée dans la technologie FlexiCap est appliquée sur les électrodes. Ce matériau est un polymère époxy chargé d'argent qui est appliqué à l'aide de techniques de terminaison conventionnelles, puis thermodurci. Il est flexible et absorbe une partie de la tension mécanique entre la carte et le condensateur MLCC monté.

En conséquence, les composants terminés avec la technologie FlexiCap résistent à des niveaux de contrainte mécanique plus élevés que les composants terminés par frittage. FlexiCap offre également une protection améliorée contre la fissuration mécanique et dans les applications où des changements rapides de température se produisent. Pour les concepteurs de véhicules électriques, il en résulte une plus grande tolérance à la flexion lors de la manipulation des cartes pendant le processus, ce qui se traduit par une augmentation des rendements et une diminution des défaillances sur le terrain.

Autre élément important pour les véhicules électriques, les condensateurs à certification de sécurité de Knowles Syfer sont disponibles avec la qualification AEC-Q200. Les composants sont considérés comme « qualifiés AEC-Q200 » s'ils ont réussi la suite rigoureuse de tests de contraintes portant notamment sur la température, les chocs thermiques, la résistance à l'humidité, la tolérance dimensionnelle, la résistance aux solvants, les chocs mécaniques, les vibrations, les décharges électrostatiques, la soudabilité et la flexion de carte.

Sur le plan électrique, la ligne à certification de sécurité présente une tension de tenue diélectrique (DWV) élevée de 4 kV_CC et 3 kV_RMS. Ce sont des caractéristiques critiques pour les systèmes de charge VE de 800 V où de larges marges de test et de sécurité sont nécessaires.

Exemples de MLCC pour VE

La ligne à certification de sécurité améliorée de Knowles Syfer offre une large gamme de valeurs de condensateurs avec à la fois une terminaison FlexiCap et une qualification AEC-Q200, ce qui la rend particulièrement adaptée aux applications de VE. Par exemple, le 1808JA250101JKTSYX est un condensateur C0G/NP0 de 100 pF avec une tension nominale de 250 VCA pour les applications de classe Y2 (phase-terre) et de 305 VCA pour les applications de classe X1 (phase à phase), avec une tolérance de ±5 %. Il est fourni en boîtier 1808 de 4,95 millimètres (mm) x 2 mm (Figure 3).

Figure 3 : Dimensions physiques du MLCC 1808JA250101JKTSYX (à gauche) et disposition recommandée des pastilles de soudure (à droite). (Source de l'image : Knowles Syfer)

Le 1812Y2K00103KST de Knowles Syfer est un condensateur X7R typique. Il s'agit d'un dispositif de 10 000 pF ±10 % 2 kV en boîtier 1812 de 4,5 mm x 3,2 mm x 2,5 mm. Les deux types de condensateurs 1808JA250101JKTSYX et 1812Y2K00103KST ont une plage de températures nominale de -55°C à +125°C. La ligne de produits est disponible en formats de boîtiers 1808, 1812, 2211, 2215 et 2220, en fonction du diélectrique utilisé, de la valeur de la capacité et de la tension nominale.

D'autres exemples incluent le 1808JA250101JKTS2X de Knowles Syfer, un condensateur C0G/NP0 de 100 pF, 250 VCA (classe X2), 1 kVCC, avec une tolérance de ±5 %. Le 2220YA250102KXTB16 est un condensateur X7R de 1000 pF ±10 % 250 V.

Notez que les exigences de fabrication pour le montage et le soudage des condensateurs à terminaison FlexiCap sont identiques à celles d'un condensateur MLCC à terminaison frittée standard, de sorte qu'ils ne nécessitent aucune manipulation particulière. De plus, et en se référant à nouveau à la Figure 3, les condensateurs pavés de Knowles peuvent être montés à l'aide de dispositions de pastilles conformes à la norme IPC-7351, relative aux exigences génériques pour la conception à montage en surface et les modèles de circuits imprimés. En outre, il a été démontré que d'autres facteurs réduisent les contraintes mécaniques, comme la réduction de la largeur des pastilles à une valeur inférieure à la largeur du pavé.

Conclusion

Les condensateurs MLCC qualifiés AEC-Q200 FlexiCap de Knowles Syfer sont bien adaptés aux applications de VE, en particulier aux systèmes de batteries de 800 V où une tension de test et une marge de sécurité accrues pour gérer les surtensions et les conditions transitoires sont essentielles. La terminaison FlexiCap permet aux condensateurs de supporter des niveaux plus élevés de contraintes mécaniques. Qualifiés AEC-Q200, ils offrent donc aux concepteurs une combinaison unique de capacité, de stabilité et de certification de sécurité.