Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
Annons
© janaka dharmasena dreamstime.com_technical Analys | 04 december 2015

Fordonskondensatorer har det svårt i motorrummet

Den ökande mÀngden elektronik i moderna fordon Àr en vÀletablerad trend. Allteftersom fler och fler elektroniska komponenter anvÀnds avgör tillförlitligheten hos enskilda komponenter tillförlitligheten i viktiga delsystem och kan ha en pÄtaglig effekt pÄ den totala anvÀndarupplevelsen.
Komponenttillförlitligheten pÄverkas av miljöförhÄllanden som omfattar inte bara elektriska spÀnningar och höga omgivningsdriftstemperaturer utan Àven termisk cykling, lÄga temperaturer, hög luftfuktighet, regn, is, snö och starka kemikalier sÄsom vÀgsalt, olja, brÀnsle och hydrauliska vÀtskor. Det kan ocksÄ vara stora mekaniska pÄfrestningar, sÄsom vibrationer, vilka kan Àventyra anslutningar och interna förbindelser. Fordonselektronik förvÀntas klara av alla dessa pÄkÀnningar och fungera tillförlitligt under fordonets hela livstid, som vanligtvis Àr mÄnga Är. Tillförlitlighet under stress Fordonsmiljön Àr kÀnd för att vara mycket svÄr. I motorrumsapplikationer sÀtts elektroniska enheter, sÄsom sensorer, in allt nÀrmare motor, transmission och bromsar för att övervaka parametrar som oljans tillstÄnd, vald vÀxel och sammansÀttning av avgaser. Temperaturen pÄ dessa platser kan vara en bra bit över 125 °C. Stora elektriska transienter kan ocksÄ förekomma pÄ grund av omkopplingen av ett stort antal laster inklusive mycket induktiva laster som elektriska motorer. Dessa faktorer har en betydande inverkan pÄ valet av de kondensatorer som anvÀnds i stort antal i sensorer och elektroniska styrenheter i hela fordonet, inklusive motorrummet, för ÀndamÄl som filtrering, avkoppling, transientundertryckning och energilagring. MLCC:er (Multi-Layer Ceramic Capacitor) Àr ett kostnadseffektivt och vanligt val för sÄdana enheter. MLCC Àr en icke-polariserad kondensator som bestÄr av tvÄ metallanslutningar, var och en ansluten till flera inre nickelelektroder som skiljs Ät av ett keramiskt dielektrikum som kan vara i material av klass I, klass II eller klass III. Anslutningarna kan vara av en basmetall, sÄsom koppar, eller en Àdelmetall. Fig. 1 visar den inre konstruktionen av en typisk MLCC.
Fig. 1. Typisk inre konstruktionen av MLCC
Exponering för höga temperaturer och elektriska pÄkÀnningar som överskrider de nominella grÀnserna för kondensatorn kan försÀmra tillförlitligheten hos det dielektriska materialet. SÄdan nedbrytning pga. elektrisk stress kan förutsÀgas med hjÀlp av den inversa strömmodellen. Enligt denna modell minskar dielektrikumets livslÀngd med ökande elektriskt fÀlt pÄ grund av de krafter som utövas av fÀltet pÄ de laddade atomerna. Nedbrytning till följd av hög temperatur Ä andra sidan, följer Arrhenius lag. Detta beskriver en exponentiell förÀndring som styrs av temperaturen och aktiveringsenergin, som Àr en egenskap hos materialet. NÀr enheterna anvÀnds inom maxvÀrdena kan konstruktören lita pÄ tillverkarens livslÀngdsförutsÀgelser, som bygger pÄ resultaten av miljötestning och beprövade tillförlitlighetsberÀkningar. Utvecklingen av MLCC:er för fordonsindustrin Àr inriktad pÄ att förbÀttra de dielektriska egenskaperna för att minimera nedbrytning sÄ att enheter kan garanteras att leverera tillfredsstÀllande resultat under den förvÀntade livslÀngden. Dielektrika för stabil kapacitans Försiktighet bör vidtas för att sÀkerstÀlla att den valda kondensatorn tillhandahÄller den önskade kapacitansen vid den avsedda driftstemperaturen. Beroende pÄ typ av dielektrikum kan kapacitansen bli reducerad vid höga temperaturer vilket leder till förÀndringar i frekvenssvar och resultera till oförutsÀgbara prestanda hos en avstÀmd krets, sÄsom ett filter. C0G-dielektrika Àr ett klass I-material. Dielektrika i denna klass Àr temperaturkompenserande och lÀmpar sig dÀrför för resonanskretstillÀmpningar eller tillÀmpningar dÀr Q och stabila kapacitansegenskaper krÀvs. Kemet:s fordonskvalificerade C0G-kondensatorer uppvisar ingen förÀndring i kapacitans med avseende pÄ tid och spÀnning. Dessutom kan förÀndringen i kapacitans relativt omgivningstemperaturen anses försumbar pÄ ± 30 ppm/°C frÄn -55 °C till + 125 °C. Med en sÄdan hög stabilitet Àr dessa kondensatorer lÀmpliga för anvÀndning i kritiska tids- eller avstÀmningskretsar, högströms- eller pulsapplikationer och kretsar dÀr lÄga förluster Àr kritiskt samt kretsar för avkoppling, överledning, filtrering, transientöverspÀnning, blockering och energilagring. Klass Il-dielektrika, som X7R, möjliggör Ä andra sidan höga kapacitansvÀrden i komponenter med smÄ dimensioner. Detta gör dem anvÀndbara för ett brett spektrum av tillÀmpningar, inklusive utrymmesbegrÀnsade fordonsstyrenheter. Som ett klass Il-materialet kan X7R beskrivas som ett material med förutsÀgbara förÀndringar i kapacitans med avseende pÄ tid och spÀnning. Kemet:s fordonskvalificerade (AEC-Q200) X7R MLCC:er uppvisar en förÀndring i kapacitans relativt omgivningstemperaturen pÄ mindre Àn ± 15% frÄn -55 °C till + 125 °C. Dessa kondensatorer Àr lÀmpliga för förbikopplings- och avkopplingsapplikationer eller för kretsar som komparatorer dÀr Q och stabilitet i kapacitansegenskaperna inte Àr kritiska. Dielektrikumet har maximal arbetstemperatur pÄ 125 °C. I tillÀmpningar som krÀver större temperaturstabilitet kan buffertkretsar anvÀndas för att stabilisera systemet. Alternativt kan uppslagstabeller implementeras i programvara för att justera kritiska konstanter. För kritiska applikationer dÀr tillförlitlighet och kapacitansstabilitet vid högre arbetstemperaturer Àr ett bekymmer Àr dielektrikumet Ultra-Stable X8R det senaste inom dielektrisk högtemperaturteknik och tillförlitlighet för extrema applikationstemperaturer. KapacitansÀndringen Àr begrÀnsat till ± 15 % frÄn -55 °C upp till den högre maximala temperaturen pÄ 150 °C. Dessutom uppvisar Ultra-Stable X8R-kondensatorer ingen kapacitansförÀndring med avseende pÄ tillÄten likspÀnning. Kemet har ocksÄ ett patenterad högtemperatur-C0G-dielektrikum som kan sÀkerstÀlla en konstant kapacitans upp till temperaturer över 200 °C. I Fig. 2 framgÄr kapacitansförÀndringen frÄn -60 °C till 200 °C nÀr man jÀmför kondensatorer av typen BME (Base-Metal Electrode) högtemperatur-C0G, PME (Precious-Metal Electrode) X7R och 150 °C X8R.
Fig. 2. JÀmförelse av temperaturstabilitet (ingen DC-förspÀnning applicerad)
Detta diagram illustrerar vikten av att bestÀmma den effektiva kapacitansen för en vald kondensator vid den avsedda driftstemperaturen. Beroende pÄ dielektrisk teknik kan kapacitansen försÀmras vid högre temperaturer. NÀr man anvÀnder en X7R- eller X8R-komponenet kan en högre nominell kapacitans behövas för att sÀkerstÀlla önskad kapacitans vid dess förvÀntade arbetstemperatur. En komponent med lÀgre nominell kapacitans, och dÀrför fysiskt mindre, kan vÀljas om man anvÀnder en högtemperatur-C0G-kondensator. Detta kan möjliggöra mindre totala dimension vilket kan vara viktigt för mÄlapplikationen. FörbÀttrad tillförlitlig kapsel Resistens mot vibrationer i fordonsapplikationer kan ocksÄ förbÀttras genom en kombination av materialval och kondensatorkonstruktion. Nya stryktÄliga C0G-material har utvecklats som kan motstÄ stötar upp till mycket höga G-krafter. BrotthÄllfastheten kan vara mer Àn dubbelt sÄ stor som branschens bÀsta X7R-material. Sprickor till följd av överdrivna drag- och skjuvspÀnningar, som alstras nÀr PCB böjs eller utsÀtts för termisk cykling, Àr den primÀra felorsaken för MLCC:er. Kemet har utvecklat FT-CAP (Flexibel Termine) MLCC:er som innehÄller ledande silverepoxi mellan basmetall och avslutningssystemets nickelbarriÀrskikt. Detta ger ökad följsamhet med bibehÄllen termineringsstyrka, lödbarhet och elektriska prestanda. Kondensatorer med Fail-Open-teknologi som Kemet:s FO-CAP X7R och FE-CAP X7R finns ocksÄ, med eller utan flexibla avslutningar, som Àr utformade för att minimera sannolikheten för lÄgt isolationsmotstÄnd eller kortslutningstillstÄnd i hÀndelse av fel pÄ anordningen pÄ grund av böjning av kretskortet. Den inre utformningen av dessa kondensatorer förhindrar att sprickor utbreder sig över elektroder inom enhetens aktiva omrÄde, som Àr den plats dÀr en spricka mest sannolikt kan resultera i en kortslutning som leder till att komponenten fallerar. Om sprickor uppstÄr kan kondensatorn fÄ en minskning i kapacitans men risken för katastrofala fel undviks. Alternativt kan en staplad kondensator, som familjen Kemet KPS HT, kombinera tvÄ eller flera vertikalt staplade kondensatorer med en ram som effektivt minimerar mekanisk och termisk belastning pÄ MLCC:n. Denna typ av anordning Ästadkommer ocksÄ hög kapacitans pÄ samma monteringsyta som en enkel MLCC. HÄlmonterade kondensatorer, som radiella gjutna MLCC:er, gynnas ocksÄ av hög tolerans mot pÄfrestningar som kan orsaka fel i konventionella keramiska chipkondensatorer. Flexibiliteten i ledningarna ger dragavlastning men ledningens fastsÀttning mÄste klara av höga driftstemperaturer. Kemet:s gjutna C052H och C062H radiella C0G MLCC:er för hög temperatur konstrueras med anvÀndning av lod med hög smÀltpunkt (HMP) för att sÀkerstÀlla integriteten hos alla anslutningar. Slutsats Med ett brett utbud av avancerade högtemperaturdielektrika, som ger lÄng livslÀngd och god stabilitet, samt ett urval av robusta kapseltekniker kan dagens fordonselektronikkonstruktörer hitta MLCC:er som har den nödvÀndiga kombinationen av prestanda, tillförlitlighet och livslÀngd till rÀtt pris . ----- Författare: Axel Schmidt, Senior Field Application Engineer Central Europe, East and Alpine, © KEMET Corporation
Annons
Annons
Visa fler nyheter
2019-02-19 15:52 V12.2.2-2