Pour les VE, les condensateurs céramique multicouches de 800 V avec terminaisons flexibles garantissent une charge sûre et fiable

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, bien sûr, 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, où des normes comme AEC-Q200 doivent être respectées.

Heureusement, les fabricants de composants sont bien conscients de ces exigences. Par exemple, la ligne de condensateurs céramique multicouches (MLCC) à montage en surface et sécurité certifiée de Knowles Syfer offre des condensateurs conformes à de nombreuses spécifications et certifications internationales de sécurité, notamment AEC-Q200. Ils ont également lancé des composants extra-plats qui occupent moins d'espace carte, ce qui est essentiel pour les applications où l'espace est limité. En outre, la terminaison FlexiCap des condensateurs réduit le risque de craquelure mécanique lorsqu'ils sont montés sur des cartes exposées à des chocs et à des vibrations, ce qui les rend parfaitement adaptés aux applications de VE. Examinons de plus près la technologie MLCC afin de comprendre ses avantages.

Structure des MLCC

Les condensateurs MLCC sont des condensateurs à montage en surface qui sont structurés avec un certain nombre d'éléments de condensateur individuels empilés verticalement et connectés en parallèle par les terminaisons (Figure 1).

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

La connexion parallèle de plusieurs paires d'électrodes + et - permet d'obtenir de grandes valeurs de capacité dans un boîtier relativement petit.

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 (e_r) du diélectrique détermine la capacité réalisable pour une géométrie de composant donnée. Les condensateurs MLCC de Knowles Syfer offrent deux classes de diélectriques céramique. La première est C0G/NP0, un diélectrique EIA de classe 1, qui a une permittivité relative 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. Le choix des diélectriques 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 valeurs nominales jusqu'à 305 VCA. Examinons quelques composants MLCC typiques.

Exemples de MLCC

Le condensateur 1808JA250101JKTSYX de Knowles Syfer 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). Ce condensateur a une tolérance de ±5 %. Il est fourni en boîtier 1808 de 4,95 millimètres (mm) x 2 mm x 1,5 mm. Le 2220JA250103KXTB17 de Knowles Syfer est un condensateur X7R typique. Il s'agit d'un dispositif de 10 000 pF ±10 % 250 V en boîtier 2220 de 5,7 mm x 5 mm x 2,5 mm. Ces deux types de condensateurs 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.

Bien que les condensateurs MLCC soient largement utilisés dans les circuits électroniques, ils sont pourtant fragiles et peuvent se fissurer s'ils sont soumis à des contraintes mécaniques. 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. Les composants terminés avec la technologie FlexiCap résistent à des niveaux de tension mécanique plus élevés que les composants terminés par frittage. L'utilisateur bénéficie ainsi d'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.

Le 1808JA250101JKTS2X de Knowles Syfer est un condensateur C0G/NP0 de 100 pF, 250 VCA (classe X2), 1 kilovolt (kV) CC, à terminaison FlexiCap, avec une tolérance de capacité de ±5 %. Notez que les dimensions physiques sont identiques à celles du condensateur MLCC de 100 pF mentionné plus haut : la technologie FlexiCap n'a aucun impact sur la taille du condensateur. Le 2220YA250102KXTB16 de Knowles Syfer est un condensateur X7R de 1000 pF ±10 % 250 V qui intègre également la terminaison FlexiCap. 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. Ils ne nécessitent donc aucune manipulation particulière.

Pourquoi les condensateurs MLCC sont-ils adaptés aux VE ?

Les condensateurs MLCC avec FlexiCap conviennent parfaitement aux environnements des VE où les cartes à circuit imprimé sont exposées à des transitoires électriques, des chocs, des vibrations et de vastes plages de températures. Toute la gamme de condensateurs de Knowles Syfer est disponible avec la qualification automobile AEC-Q200. Les composants sont considérés comme « qualifiés AEC-Q200 » s'ils ont passé avec succès la série rigoureuse de tests de résistance de cette norme. Ces tests portent 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 la carte.

Conclusion

Les condensateurs MLCC qualifiés AEC-Q200 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 sont essentielles. Ils offrent donc aux concepteurs une combinaison unique de capacité, de stabilité et de certification de sécurité.