Kondensator
PRODUKTFOKUS
Verlustarme laminierte Keramikkondensatoren für hohe und mittlere Spannungen, ideal für Bordnetze in der Automobilindustrie, drahtlose Energieübertragung und Server-Stromversorgungen: Anwendungen in LC- und LLC-Resonanzkreisen
Dieser Artikel stellt verlustarme Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCC) für hohe und mittlere Spannungen vor, die sich optimal für Resonanzkreise eignen, die in Fahrzeug-OBCs, der drahtlosen Energieübertragung und in Servern eingesetzt werden. Er bietet eine detaillierte Erläuterung der Eigenschaften und Auswahlkriterien für den Einsatz dieser Kondensatoren in Hochleistungs-LC- und LLC-Resonanzkreisen, die in den letzten Jahren immer häufiger eingesetzt werden.
1. Markttrends bei Stromversorgungssystemen für Anwendungen mit hoher Leistung
In den letzten Jahren hat die Verwendung von Resonanzkreisen zugenommen.
In hocheffizienten Stromversorgungen mit einer Leistung von 100 W oder mehr, wie z. B. in OBCs für EVs und PHVs (Elektrofahrzeuge und Plug-in-Hybridfahrzeuge), in Stromversorgungen für Server und in Stromversorgungen für Großgeräte, werden LLC-Resonanzkreise weithin eingesetzt. Es wird geschätzt, dass ihre Verbreitung über 90 % beträgt. Auch bei der drahtlosen Energieübertragung (WPT) werden LC-Schwingkreise für die Übertragung und den Empfang großer Energiemengen eingesetzt. WPT-fähige Produkte haben sich über kleine Geräte wie Smartphones und Tablets hinaus auf größere Produkte wie Automobile und Transportroboter in Fertigungsprozessen ausgedehnt.
Da verschiedene Arten von Resonanzkreisen wie LC- und LLC-Resonanzkreise immer häufiger eingesetzt werden, steigt die Nachfrage nach Resonanzkondensatoren (Kondensatoren, die in Resonanzkreisen verwendet werden), die stabile Kapazitätswerte über 10nF sowie eine verlustarme Leistung bieten. Traditionell waren Folienkondensatoren die einzige verfügbare Option, doch haben sich keramische Vielschichtkondensatoren aufgrund ihrer vielfältigen Vorteile inzwischen durchgesetzt. Vor allem für Schwingkreise, die eine hohe Leistungsdichte erfordern, werden Keramik-Vielschichtkondensatoren bevorzugt.
In diesem technischen Artikel werden die Vorteile der Verwendung von Keramik-Vielschichtkondensatoren als Resonanzkondensatoren erläutert und gleichzeitig Einblicke in ihre Eigenschaften, Punkte für eine effektive Nutzung, Auswahlüberlegungen und empfohlene Produktreihen gegeben.
2. Wichtige Anforderungen an Resonanzkondensatoren in Hochleistungs-Schwingkreisen
2.1 Im Fall von Schwingkreisen mit hoher angelegter Spannung
In Resonanzkreisen, die in Produkten verwendet werden, die hohe Ströme verarbeiten, wie z. B. WPT in Kraftfahrzeugen, kann die an die Kondensatoren angelegte Spannung (V(p-p)) recht hoch sein und zwischen einigen hundert Volt (p-p) und 10.000 Volt (p-p) liegen, wobei in einigen Fällen bis zu 10.000 V(p-p) erreicht werden. Da die Nennspannung von Keramik-Vielschichtkondensatoren 630 Vdc oder 1000 Vdc beträgt, ist es notwendig, Kondensatoren in Reihe zu schalten, um sicherzustellen, dass diese V(p-p) beim Betrieb mit hohen Spannungen innerhalb der Nennspannungsgrenzen bleibt.
Wenn Kondensatoren in Reihe geschaltet werden, nimmt ihre effektive Kapazität ab; daher sind Parallelschaltungen erforderlich, um die erforderliche Kapazität zu erreichen. Infolgedessen ist es üblich geworden, dass Resonanzkondensatoren in mehreren Reihen- und Parallelkonfigurationen verwendet werden, was zu einer Nachfrage nach Produkten mit kleinerer Grundfläche führt.
2.2 Bei Schwingkreisen mit einer hohen Resonanzfrequenz
Auf dem Automobilmarkt ist die Resonanzfrequenz für WPT für Kraftfahrzeuge gemäß den internationalen Normen auf 85 kHz festgelegt. Für EV- und PHV-OBCs variiert die Resonanzfrequenz jedoch je nach Hersteller und reicht von 60 kHz bis 400 kHz. Bei diesen Anwendungen wird eine hochfrequente Hochspannung an die Kondensatoren angelegt, was zu einer erhöhten Selbsterhitzung führen kann.
Daher sind Resonanzkondensatoren erforderlich, die geringere Verluste aufweisen und den Anstieg der Selbsterhitzung bei Langzeitbetrieb minimieren.
2.3 Eigenschaften von keramischen Vielschichtkondensatoren im Vergleich zu Folienkondensatoren
Eigenschaften von keramischen Mehrschichtkondensatoren
・Kleine Montagefläche (Volumen)
・geringe Wärmeentwicklung (niedriger ESR)
・Niedrige ESL
・Hervorragende Langzeit-Zuverlässigkeit
・Hohe maximale Betriebstemperatur
Keramik-Vielschichtkondensatoren haben im Vergleich zu Folienkondensatoren eine höhere Langzeitzuverlässigkeit, da sie eine hohe maximale Betriebstemperatur und eine geringe Wärmeentwicklung aufweisen. Außerdem zeichnen sie sich durch ein kleineres Volumen und eine geringere ESL bei gleicher Kapazität aus. Aufgrund dieser Eigenschaften werden Keramik-Vielschichtkondensatoren häufig als Resonanzkondensatoren in Hochleistungsschwingkreisen eingesetzt.
3. Einführung eines keramischen Vielschichtkondensators mit mittlerer Hochspannung und geringem Verlust, der als Resonanzkondensator empfohlen wird
Wie bereits erwähnt, werden Resonanzkondensatoren mit geringem Verlust und geringer Eigenerwärmung für Hochleistungsschwingkreise wie WPTs für Automobile und OBCs für EVs und PHVs benötigt. Um diese Nachfrage nach Resonanzkondensatoren zu befriedigen, bietet Murata eine Reihe von keramischen Mittel- bis Hochspannungs-Vielschichtkondensatoren mit Nennspannungen von 630 Vdc und 1000 Vdc und unter Verwendung verlustarmer Materialien an.
Chip-Multilayer | Metallanschluss Typ Mehrschicht | |
|---|---|---|
Erscheinungsbild |
|
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Betrieb | -55 bis +125°C | -55 bis +125°C |
Nennspannung (DC) | 630 V | 630 V |
Temperaturbereich | C0G (EIA): 0±30ppm/°C | C0G (EIA): 0±30ppm/°C |
Kapazitätsbereich | 5,6 bis 10nF (Größe 3216M) | 15 bis 54nF |
Es gibt zwei gängige Produktformen: den Standard-Chip-Typ und den Chip-Typ mit Metallanschlüssen (siehe Tabelle 1). Der Metallanschlusstyp ermöglicht das Stapeln großer Chips (Größe 5750M), was nicht nur die Montagefläche verringert, sondern auch das Risiko von "Lötstellen" mindert, das auf dem Automobilmarkt ein Problem darstellt.
Große Produkte wie OBCs für Kraftfahrzeuge, Server-Stromversorgungen und Stromversorgungen für Großgeräte, die Resonanzkreise enthalten, erfordern aufgrund ihrer langen Nutzungsdauer eine langfristige Zuverlässigkeit der Kondensatoren. Für diese keramischen Vielschichtkondensatoren wird eine angestrebte Lebensdauer von 10 Jahren bei kontinuierlicher Nutzung festgelegt.
4. Einschränkungen bei der Auswahl von keramischen Vielschichtkondensatoren für Resonanzkondensatoren
Einschließlich der oben vorgestellten Produkte gibt es wichtige Überlegungen bei der Auswahl von Kondensatoren (Resonanzkondensatoren) zur Verwendung in Schwingkreisen. Eine falsche Auswahl von Resonanzkondensatoren in Hochleistungsanwendungen kann zu Rauch- oder Brandvorfällen in den Geräten führen. Dies gilt auch für keramische Vielschichtkondensatoren, die sich durch geringe Wärmeentwicklung und langfristige Zuverlässigkeit auszeichnen; daher ist es wichtig, sie unter sorgfältiger Berücksichtigung ihrer Eigenschaften auszuwählen.
Wir werden zwei Punkte erläutern, die wir für besonders wichtig halten: "Selbsterhitzung von Kondensatoren" und "Spannungsabfallkurven".
4.1 Beschränkungen durch Selbsterhitzung
Resonanzkondensatoren, die in Hochleistungsanwendungen eingesetzt werden, weisen nach der anfänglichen Erwärmung, die unmittelbar beim Anlegen der Spannung auftritt, eine zunehmende Selbsterwärmung auf. Während ein Anstieg der Selbsterwärmung bei Keramik-Vielschichtkondensatoren unvermeidlich ist, sollten Spannungs- und Frequenzbedingungen, die die maximale Betriebstemperatur von 125 °C innerhalb der angestrebten Lebensdauer (z. B. 10 Jahre) überschreiten, vermieden werden (siehe Abbildung 1).
Bei den keramischen Vielschichtkondensatoren von Murata ist die zulässige Spannung Vdc als die Spannung definiert, bei der die Oberflächentemperatur des Kondensators die maximale Betriebstemperatur von 125°C während seiner angestrebten Lebensdauer erreicht. Bei der Auswahl eines Kondensators ist es wichtig, dass die angelegte Spannung V(p-p) innerhalb dieser zulässigen Spannung bleibt.
Wir stellen für jeden Artikel "Spannungsabfallkurven" (siehe Abbildung 2) zur Verfügung, die die zulässigen Spannungen in Abhängigkeit von der Frequenz angeben und die in den Produktspezifikationen und auf den technischen Datenblättern unserer Website detailliert aufgeführt sind.
4.2 Beschränkungen durch die zulässige Spannung
Dies ist unsere Sichtweise der Beziehung zwischen zulässiger Spannung und Frequenz. Die in Abbildung 2 gezeigten "Spannungsabfallkurven" verallgemeinern die für jedes Element festgelegten zulässigen Spannungsgraphen, die je nach Frequenzbereich in drei Bereiche unterteilt werden können.
Region 1: Frequenzbereich - Unterhalb von mehreren 10 kHz: Begrenzungen durch die Nennspannung
Aufgrund der niedrigen Frequenz von einigen 10 kHz oder weniger ist die Eigenerwärmung der Kondensatoren minimal, und die Nennspannung wird zur zulässigen Spannung. Fälle, in denen keramische Vielschichtkondensatoren, die für mittlere und hohe Spannungen mit geringem Verlust ausgelegt sind, in diesem niedrigen Frequenzbereich als Resonanzkondensatoren verwendet werden, sind jedoch selten.
Region 2: Frequenzbereich - mehrere 10 kHz bis mehrere 100 kHz: Beschränkungen durch kontinuierlichen Temperaturanstieg
Die Selbsterwärmung unmittelbar nach dem Anlegen der Spannung liegt innerhalb eines ΔT von 20 Grad*1, aber in diesem Bereich steigt die Selbsterwärmung durch das Anlegen hoher Spannungen von mehreren 10 kHz bis zu mehreren 100 kHz. In diesem Bereich ist die zulässige Spannung definiert als die Spannung, bei der die Oberflächentemperatur des Kondensators die maximale Betriebstemperatur von 125 °C während seiner angestrebten Lebensdauer erreicht (im Falle der hier vorgestellten Produkte eine angestrebte Lebensdauer von 10 Jahren). Die meisten Fälle, in denen keramische Vielschichtkondensatoren, die für mittlere und hohe Spannungen mit geringem Verlust ausgelegt sind, als Resonanzkondensatoren verwendet werden, fallen in diesen Bereich.
*1 Unabhängig von Chipkondensatoren mit geringem Verlust und hoher Dielektrizitätskonstante müssen die Betriebsbedingungen sicherstellen, dass die Selbsterhitzung des Kondensators innerhalb eines ΔT von 20 Grad bleibt.
Region 3: Frequenzbereich - über mehrere 100 kHz: Einschränkungen aufgrund der anfänglichen Erwärmung unmittelbar nach dem Anlegen der Spannung
Wenn die Frequenz weiter erhöht wird, übersteigt die Selbsterhitzung des Kondensators unmittelbar nach dem Anlegen der Spannung ΔT von 20 Grad. Wie bereits erwähnt, müssen die Betriebsbedingungen unabhängig von verlustarmen Chip-Kondensatoren oder Chip-Kondensatoren mit hoher Dielektrizitätskonstante sicherstellen, dass die Eigenerwärmung des Kondensators innerhalb von ΔT von 20 Grad bleibt. Für keramische Mittel- und Hochspannungs-Vielschichtkondensatoren mit geringem Verlust ist die zulässige Spannung als die Spannung definiert, bei der die Selbsterhitzung ΔT von 20 Grad erreicht; daher müssen die Produkte so ausgewählt werden, dass ihre Temperatur unter diesem Schwellenwert bleibt.
5. Einführung in das Auswahlwerkzeug für Resonanzkondensatoren: SimSurfing
Wie bereits erläutert, müssen bei der Auswahl von Resonanzkondensatoren verschiedene Eigenschaften berücksichtigt werden, was die Auswahl der Komponenten erschwert. Dies kann ein Faktor sein, der den technologischen Fortschritt in schnell wachsenden Bereichen wie OBCs für Kraftfahrzeuge, Server-Stromversorgungen und Stromversorgungen für Großgeräte erschwert. Zwei Punkte können besonders hervorgehoben werden.
- Da die angelegte Spannung tendenziell höher ist, werden häufig mehrere Reihen- und Parallelschaltungen verwendet, was die Berechnung der äquivalenten Kapazität erforderlich macht.
- Es ist notwendig, die angelegte Spannung V(p-p) eines einzelnen Kondensators unter der "Nennspannung" zu halten.
Murata hat ein Tool namens "Simsurfing" entwickelt, um unsere Kunden bei der Auswahl der am besten geeigneten Resonanzkondensatoren für ihre Betriebsumgebung zu unterstützen. Durch einfache Eingabe der Betriebsspannung, der Temperatur und der erforderlichen Kapazität des Resonanzkondensators zeigt das Tool die optimalen Produkte zusammen mit der empfohlenen Anzahl von Reihen- und Parallelschaltungen an. Dieses Tool trägt dazu bei, die Belastung der Kunden bei der Auswahl und Entwicklung von Bauteilen zu verringern.
Die Software zur Unterstützung des Entwurfs, SimSurfing, finden Sie hier.
6. Suche nach empfohlenen Mittel- bis Hochspannungs-Vielschicht-Keramikkondensatoren mit geringem Verlust für Resonanzkondensatoren!
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