Fordonskondensatorer har det svårt i motorrummet

Komponenttillförlitligheten påverkas av miljöförhållanden som omfattar inte bara elektriska spänningar och höga omgivningsdriftstemperaturer utan även termisk cykling, låga temperaturer, hög luftfuktighet, regn, is, snö och starka kemikalier såsom vägsalt, olja, bränsle och hydrauliska vätskor. Det kan också vara stora mekaniska påfrestningar, såsom vibrationer, vilka kan äventyra anslutningar och interna förbindelser. Fordonselektronik förväntas klara av alla dessa påkänningar och fungera tillförlitligt under fordonets hela livstid, som vanligtvis är många år. Tillförlitlighet under stress Fordonsmiljön är känd för att vara mycket svår. I motorrumsapplikationer sätts elektroniska enheter, såsom sensorer, in allt närmare motor, transmission och bromsar för att övervaka parametrar som oljans tillstånd, vald växel och sammansättning av avgaser. Temperaturen på dessa platser kan vara en bra bit över 125 °C. Stora elektriska transienter kan också förekomma på grund av omkopplingen av ett stort antal laster inklusive mycket induktiva laster som elektriska motorer. Dessa faktorer har en betydande inverkan på valet av de kondensatorer som används i stort antal i sensorer och elektroniska styrenheter i hela fordonet, inklusive motorrummet, för ändamål som filtrering, avkoppling, transientundertryckning och energilagring. MLCC:er (Multi-Layer Ceramic Capacitor) är ett kostnadseffektivt och vanligt val för sådana enheter. MLCC är en icke-polariserad kondensator som består av två metallanslutningar, var och en ansluten till flera inre nickelelektroder som skiljs åt av ett keramiskt dielektrikum som kan vara i material av klass I, klass II eller klass III. Anslutningarna kan vara av en basmetall, såsom koppar, eller en ädelmetall. Fig. 1 visar den inre konstruktionen av en typisk MLCC.

Fig. 1. Typisk inre konstruktionen av MLCC

Exponering för höga temperaturer och elektriska påkänningar som överskrider de nominella gränserna för kondensatorn kan försämra tillförlitligheten hos det dielektriska materialet. Sådan nedbrytning pga. elektrisk stress kan förutsägas med hjälp av den inversa strömmodellen. Enligt denna modell minskar dielektrikumets livslängd med ökande elektriskt fält på grund av de krafter som utövas av fältet på de laddade atomerna. Nedbrytning till följd av hög temperatur å andra sidan, följer Arrhenius lag. Detta beskriver en exponentiell förändring som styrs av temperaturen och aktiveringsenergin, som är en egenskap hos materialet. När enheterna används inom maxvärdena kan konstruktören lita på tillverkarens livslängdsförutsägelser, som bygger på resultaten av miljötestning och beprövade tillförlitlighetsberäkningar. Utvecklingen av MLCC:er för fordonsindustrin är inriktad på att förbättra de dielektriska egenskaperna för att minimera nedbrytning så att enheter kan garanteras att leverera tillfredsställande resultat under den förväntade livslängden. Dielektrika för stabil kapacitans Försiktighet bör vidtas för att säkerställa att den valda kondensatorn tillhandahåller den önskade kapacitansen vid den avsedda driftstemperaturen. Beroende på typ av dielektrikum kan kapacitansen bli reducerad vid höga temperaturer vilket leder till förändringar i frekvenssvar och resultera till oförutsägbara prestanda hos en avstämd krets, såsom ett filter. C0G-dielektrika är ett klass I-material. Dielektrika i denna klass är temperaturkompenserande och lämpar sig därför för resonanskretstillämpningar eller tillämpningar där Q och stabila kapacitansegenskaper krävs. Kemet:s fordonskvalificerade C0G-kondensatorer uppvisar ingen förändring i kapacitans med avseende på tid och spänning. Dessutom kan förändringen i kapacitans relativt omgivningstemperaturen anses försumbar på ± 30 ppm/°C från -55 °C till + 125 °C. Med en sådan hög stabilitet är dessa kondensatorer lämpliga för användning i kritiska tids- eller avstämningskretsar, högströms- eller pulsapplikationer och kretsar där låga förluster är kritiskt samt kretsar för avkoppling, överledning, filtrering, transientöverspänning, blockering och energilagring. Klass Il-dielektrika, som X7R, möjliggör å andra sidan höga kapacitansvärden i komponenter med små dimensioner. Detta gör dem användbara för ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive utrymmesbegränsade fordonsstyrenheter. Som ett klass Il-materialet kan X7R beskrivas som ett material med förutsägbara förändringar i kapacitans med avseende på tid och spänning. Kemet:s fordonskvalificerade (AEC-Q200) X7R MLCC:er uppvisar en förändring i kapacitans relativt omgivningstemperaturen på mindre än ± 15% från -55 °C till + 125 °C. Dessa kondensatorer är lämpliga för förbikopplings- och avkopplingsapplikationer eller för kretsar som komparatorer där Q och stabilitet i kapacitansegenskaperna inte är kritiska. Dielektrikumet har maximal arbetstemperatur på 125 °C. I tillämpningar som kräver större temperaturstabilitet kan buffertkretsar användas för att stabilisera systemet. Alternativt kan uppslagstabeller implementeras i programvara för att justera kritiska konstanter. För kritiska applikationer där tillförlitlighet och kapacitansstabilitet vid högre arbetstemperaturer är ett bekymmer är dielektrikumet Ultra-Stable X8R det senaste inom dielektrisk högtemperaturteknik och tillförlitlighet för extrema applikationstemperaturer. Kapacitansändringen är begränsat till ± 15 % från -55 °C upp till den högre maximala temperaturen på 150 °C. Dessutom uppvisar Ultra-Stable X8R-kondensatorer ingen kapacitansförändring med avseende på tillåten likspänning. Kemet har också ett patenterad högtemperatur-C0G-dielektrikum som kan säkerställa en konstant kapacitans upp till temperaturer över 200 °C. I Fig. 2 framgår kapacitansförändringen från -60 °C till 200 °C när man jämför kondensatorer av typen BME (Base-Metal Electrode) högtemperatur-C0G, PME (Precious-Metal Electrode) X7R och 150 °C X8R.

Fig. 2. Jämförelse av temperaturstabilitet (ingen DC-förspänning applicerad)

Detta diagram illustrerar vikten av att bestämma den effektiva kapacitansen för en vald kondensator vid den avsedda driftstemperaturen. Beroende på dielektrisk teknik kan kapacitansen försämras vid högre temperaturer. När man använder en X7R- eller X8R-komponenet kan en högre nominell kapacitans behövas för att säkerställa önskad kapacitans vid dess förväntade arbetstemperatur. En komponent med lägre nominell kapacitans, och därför fysiskt mindre, kan väljas om man använder en högtemperatur-C0G-kondensator. Detta kan möjliggöra mindre totala dimension vilket kan vara viktigt för målapplikationen. Förbättrad tillförlitlig kapsel Resistens mot vibrationer i fordonsapplikationer kan också förbättras genom en kombination av materialval och kondensatorkonstruktion. Nya stryktåliga C0G-material har utvecklats som kan motstå stötar upp till mycket höga G-krafter. Brotthållfastheten kan vara mer än dubbelt så stor som branschens bästa X7R-material. Sprickor till följd av överdrivna drag- och skjuvspänningar, som alstras när PCB böjs eller utsätts för termisk cykling, är den primära felorsaken för MLCC:er. Kemet har utvecklat FT-CAP (Flexibel Termine) MLCC:er som innehåller ledande silverepoxi mellan basmetall och avslutningssystemets nickelbarriärskikt. Detta ger ökad följsamhet med bibehållen termineringsstyrka, lödbarhet och elektriska prestanda. Kondensatorer med Fail-Open-teknologi som Kemet:s FO-CAP X7R och FE-CAP X7R finns också, med eller utan flexibla avslutningar, som är utformade för att minimera sannolikheten för lågt isolationsmotstånd eller kortslutningstillstånd i händelse av fel på anordningen på grund av böjning av kretskortet. Den inre utformningen av dessa kondensatorer förhindrar att sprickor utbreder sig över elektroder inom enhetens aktiva område, som är den plats där en spricka mest sannolikt kan resultera i en kortslutning som leder till att komponenten fallerar. Om sprickor uppstår kan kondensatorn få en minskning i kapacitans men risken för katastrofala fel undviks. Alternativt kan en staplad kondensator, som familjen Kemet KPS HT, kombinera två eller flera vertikalt staplade kondensatorer med en ram som effektivt minimerar mekanisk och termisk belastning på MLCC:n. Denna typ av anordning åstadkommer också hög kapacitans på samma monteringsyta som en enkel MLCC. Hålmonterade kondensatorer, som radiella gjutna MLCC:er, gynnas också av hög tolerans mot påfrestningar som kan orsaka fel i konventionella keramiska chipkondensatorer. Flexibiliteten i ledningarna ger dragavlastning men ledningens fastsättning måste klara av höga driftstemperaturer. Kemet:s gjutna C052H och C062H radiella C0G MLCC:er för hög temperatur konstrueras med användning av lod med hög smältpunkt (HMP) för att säkerställa integriteten hos alla anslutningar. Slutsats Med ett brett utbud av avancerade högtemperaturdielektrika, som ger lång livslängd och god stabilitet, samt ett urval av robusta kapseltekniker kan dagens fordonselektronikkonstruktörer hitta MLCC:er som har den nödvändiga kombinationen av prestanda, tillförlitlighet och livslängd till rätt pris . ----- Författare: Axel Schmidt, Senior Field Application Engineer Central Europe, East and Alpine, © KEMET Corporation