Condensador
ENFOQUE EN EL PRODUCTO
Condensadores cerámicos laminados de baja pérdida y alto voltaje, ideales para OBC automotriz, transmisión de energía inalámbrica y fuentes de alimentación de servidores: aplicaciones en circuitos resonantes LC y LLC
Este artículo presenta los condensadores cerámicos multicapa (MLCC) de baja pérdida y alta tensión, ideales para circuitos resonantes utilizados en OBC automotrices, transmisión inalámbrica de energía y servidores. Ofrece una explicación detallada de las características y los criterios de selección para el uso de estos condensadores en circuitos resonantes LC y LLC de alta potencia, cada vez más comunes en los últimos años.
1. Tendencias del mercado de sistemas de alimentación para aplicaciones de alta potencia
En los últimos años, el uso de circuitos resonantes ha ido en aumento.
En las fuentes de alimentación de alta eficiencia de 100 W o más, como las OBC de automoción para VE y PHV (vehículos eléctricos y vehículos híbridos enchufables), las fuentes de alimentación para servidores y las fuentes de alimentación para grandes equipos, los circuitos resonantes LLC están muy extendidos. Se calcula que su tasa de adopción supera el 90%. Además, en la transferencia inalámbrica de energía (WPT), los circuitos resonantes LC se utilizan para transmitir y recibir grandes cantidades de energía. Los productos habilitados para WPT se han expandido más allá de pequeños dispositivos como smartphones y tabletas para incluir productos más grandes como automóviles y robots de transporte utilizados en procesos de fabricación.
A medida que se generalizan los distintos tipos de circuitos resonantes como LC y LLC, crece la demanda de condensadores resonantes (condensadores utilizados en circuitos resonantes) que ofrezcan valores de capacitancia estables por encima de 10nF junto con un rendimiento de bajas pérdidas. Tradicionalmente, los condensadores de película eran la única opción disponible; sin embargo, los condensadores cerámicos multicapa se han generalizado debido a sus diversas ventajas. En concreto, los condensadores cerámicos multicapa son los preferidos para los circuitos resonantes que requieren una alta densidad de potencia.
Este artículo técnico explicará las ventajas de utilizar condensadores cerámicos multicapa como condensadores resonantes, a la vez que ofrece información sobre sus características, puntos para una utilización eficaz, consideraciones de selección y línea de productos recomendada.
2. Requisitos clave de los condensadores resonantes en circuitos resonantes de alta potencia
2.1 En el caso de circuitos resonantes con alta tensión aplicada
Por ejemplo, en los circuitos resonantes utilizados en productos que manejan corrientes elevadas, como los WPT de automoción, la tensión aplicada a los condensadores (V(p-p)) puede ser bastante elevada, oscilando entre varios cientos de voltios (p-p) y 10.000 voltios (p-p), y alcanzando en algunos casos hasta 10.000 V(p-p). Dado que la tensión nominal de los condensadores cerámicos multicapa es de 630 Vcc o 1.000 Vcc, es necesario conectar los condensadores en serie para garantizar que esta V(p-p) se mantiene dentro de los límites de tensión nominal cuando funcionan a tensiones elevadas.
Cuando los condensadores se conectan en serie, su capacitancia efectiva disminuye; por tanto, se necesitan conexiones en paralelo para alcanzar la capacitancia requerida. Como resultado, se ha hecho común el uso de condensadores resonantes en múltiples configuraciones en serie y en paralelo, lo que ha dado lugar a una demanda de productos con huellas más pequeñas.
2.2 En el caso de circuitos resonantes con una frecuencia de resonancia elevada
En el mercado de la automoción, para los WPT de automóviles, la frecuencia de resonancia se fija en 85 kHz según las normas internacionales. Sin embargo, para los OBC de VE y PHV, la frecuencia de resonancia varía según el fabricante, oscilando entre 60 kHz y 400 kHz. En estas aplicaciones, se aplica alta tensión de alta frecuencia a los condensadores, lo que puede provocar un mayor autocalentamiento.
Por lo tanto, los condensadores resonantes son necesarios para tener características de pérdida más bajas y minimizar el aumento del autocalentamiento durante el uso a largo plazo.
2.3 Características de los condensadores cerámicos multicapa en comparación con los condensadores de película
Características de los condensadores cerámicos multicapa
・Pequeña área de montaje (volumen)
・Baja generación de calor (ESR baja)
・Bajo ESL
・Excelente fiabilidad a largo plazo
・Alta temperatura máxima de funcionamiento
Los condensadores cerámicos multicapa tienen una fiabilidad a largo plazo superior a la de los condensadores de película, debido a su elevada temperatura máxima de funcionamiento y su baja generación de calor. Además, se caracterizan por un menor volumen y menor ESL para productos con la misma capacitancia. Debido a estas características, los condensadores cerámicos multicapa se utilizan ampliamente como condensadores resonantes en circuitos resonantes de alta potencia.
3. Presentación de un condensador cerámico multicapa de media-alta tensión y bajas pérdidas recomendado como condensador resonante.
Como se ha mencionado anteriormente, los condensadores resonantes con bajas pérdidas y menor autocalentamiento son necesarios para circuitos resonantes de alta potencia como los WPT para automóviles y los OBC para VE y PHV. Para satisfacer esta demanda de condensadores resonantes, Murata ofrece una gama de condensadores cerámicos multicapa de media y alta tensión con tensiones nominales de 630 Vcc y 1000 Vcc y que utilizan materiales de bajas pérdidas.
Chip multicapa | Multicapa con terminal metálico | |
|---|---|---|
Apariencia |
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Funcionamiento | -55 a +125°C | -55 a +125°C |
Tensión nominal (CC) | 630 V | 630 V |
Temperatura | C0G (EIA): 0±30ppm/°C | C0G (EIA): 0±30ppm/°C |
Rango de capacitancia | 5,6 a 10nF (tamaño 3216M) | 15 a 54nF |
Existen dos formas comunes de producto: el tipo de chip estándar y el tipo de chip con terminales metálicos (véase la Tabla 1). El tipo con terminales metálicos permite apilar chips de gran tamaño (tamaño 5750M), lo que no sólo reduce la superficie de montaje, sino que también ayuda a mitigar el riesgo de "fisuras en la soldadura" que preocupa en el mercado de la automoción.
Los productos de gran tamaño, como los OBC de automoción, las fuentes de alimentación para servidores y las fuentes de alimentación para grandes equipos que incorporan circuitos resonantes, requieren condensadores fiables a largo plazo debido a sus largos periodos de uso. Para estos condensadores cerámicos multicapa, se establece un objetivo de vida útil de 10 años basado en el uso continuo.
4. Limitaciones en la selección de condensadores cerámicos multicapa para condensadores resonantes
Incluidos los productos presentados anteriormente, existen consideraciones importantes a la hora de seleccionar condensadores (condensadores resonantes) para su uso en circuitos resonantes. Una selección incorrecta de condensadores resonantes en aplicaciones de alta potencia puede provocar incidentes con humo o fuego en los equipos. Lo mismo ocurre con los condensadores cerámicos multicapa, que ofrecen baja generación de calor y fiabilidad a largo plazo; por lo tanto, es esencial seleccionarlos teniendo muy en cuenta sus características.
Explicaremos dos puntos que consideramos especialmente importantes: el "autocalentamiento de los condensadores" y las "curvas de reducción de tensión".
4.1 Limitaciones debidas al autocalentamiento
Los condensadores resonantes utilizados en aplicaciones de alta potencia presentan un aumento del autocalentamiento tras el calentamiento inicial que se produce inmediatamente después de la aplicación de tensión. Aunque el aumento del autocalentamiento es inevitable en los condensadores cerámicos multicapa, deben evitarse las condiciones de tensión y frecuencia que superen la temperatura máxima de funcionamiento de 125 °C dentro de la vida útil prevista (por ejemplo, 10 años) (véase la Figura 1).
Los condensadores cerámicos multicapa de Murata definen la tensión admisible Vdc como la tensión a la que la temperatura superficial del condensador alcanza la temperatura máxima de funcionamiento de 125°C durante su vida útil prevista. Al seleccionar un condensador, es esencial que la tensión aplicada V(p-p) se mantenga dentro de esta tensión admisible.
Proporcionamos "curvas de reducción de tensión" (véase la figura 2) para cada artículo, que muestran las tensiones admisibles en función de la frecuencia, y que se detallan en las especificaciones de los productos y en las hojas de especificaciones de nuestro sitio web.
4.2 Limitaciones debidas a la tensión admisible
Esta es nuestra perspectiva de la relación entre tensión admisible y frecuencia. Las "curvas de reducción de tensión" que se muestran en la Figura 2 generalizan los gráficos de tensión admisible establecidos para cada elemento, que pueden clasificarse en tres regiones en función del rango de frecuencia.
Región 1: Gama de frecuencias - Por debajo de varios 10 kHz: Limitaciones debidas a la tensión nominal
Debido a la baja frecuencia de varios 10 kHz o menos, el autocalentamiento de los condensadores es mínimo, y la tensión nominal se convierte en la tensión admisible. Sin embargo, son raros los casos en que condensadores cerámicos multicapa diseñados para media y alta tensión de baja pérdida se utilizan en este rango de baja frecuencia como condensadores resonantes.
Región 2: Gama de frecuencias - Varios 10 kHz a Varios 100 kHz: Limitaciones debidas al aumento continuo de la temperatura
El autocalentamiento inmediatamente después de la aplicación de tensión se encuentra dentro de ΔT de 20 grados*1, pero esta zona presenta un aumento del autocalentamiento debido a la aplicación de alta tensión que oscila entre varios 10 kHz y varios 100 kHz. En esta región, la tensión admisible se define como la tensión a la que la temperatura superficial del condensador alcanza la temperatura máxima de funcionamiento de 125 °C durante su vida útil objetivo (en el caso de los productos presentados aquí, una vida útil objetivo de 10 años). La mayoría de los casos en los que los condensadores cerámicos multicapa diseñados para media y alta tensión y bajas pérdidas se utilizan como condensadores resonantes entran dentro de esta región.
*1 Exigimos que, independientemente de los condensadores de chip de baja pérdida y alta constante dieléctrica, las condiciones de funcionamiento garanticen que el autocalentamiento del condensador se mantenga dentro de ΔT de 20 grados.
Región 3: Gama de frecuencias - Por encima de varios 100 kHz: Limitaciones debidas al calentamiento inicial inmediatamente después de la aplicación de tensión
Cuando la frecuencia aumenta aún más, el autocalentamiento del condensador inmediatamente después de la aplicación de tensión supera ΔT de 20 grados. Como se mencionó anteriormente, exigimos que, independientemente de los condensadores de chip de baja pérdida o alta constante dieléctrica, las condiciones de funcionamiento garanticen que el autocalentamiento del condensador permanezca dentro de ΔT de 20 grados. Para los condensadores cerámicos multicapa de baja pérdida de media y alta tensión, la tensión admisible se define como la tensión a la que el autocalentamiento alcanza ΔT de 20 grados; por lo tanto, es necesario seleccionar los productos de forma que su temperatura se mantenga por debajo de este umbral.
5. Introducción a la herramienta de selección de condensadores resonantes: SimSurfing
Como se ha explicado hasta ahora, la selección de condensadores resonantes implica tener en cuenta diversas características, lo que aumenta la dificultad de la selección de componentes. Esto puede ser un factor que complique los avances tecnológicos en áreas de rápido crecimiento como los OBC de automoción, las fuentes de alimentación para servidores y las fuentes de alimentación para grandes equipos. En particular, cabe destacar dos puntos.
- Debido a la tendencia a que la tensión aplicada sea mayor, suele ocurrir que se utilicen múltiples conexiones en serie y en paralelo, lo que obliga a calcular la capacitancia equivalente.
- Es necesario mantener la tensión aplicada V(p-p) de un solo condensador por debajo de la "tensión nominal".
Murata ha desarrollado una herramienta llamada "Simsurfing" para ayudar a nuestros clientes a seleccionar los condensadores resonantes más adecuados para sus entornos operativos. Simplemente introduciendo el voltaje de funcionamiento, la temperatura y la capacitancia requerida del condensador resonante, la herramienta muestra los productos óptimos junto con el número recomendado de conexiones en serie y en paralelo. Esta herramienta ayuda a reducir la carga de los clientes durante la selección y el diseño de las piezas.
El software de apoyo al diseño, SimSurfing, puede consultarse aquí.
6. Búsqueda de condensadores cerámicos multicapa recomendados de media y alta tensión y bajas pérdidas para condensadores resonantes.
Haga clic aquí para buscar productos de tipo condensador de chip.
Haga clic aquí para buscar productos con terminales metálicos.
*El contenido del artículo se basa en la información disponible en el momento de su publicación. Tenga en cuenta que puede diferir de la información más reciente.
