Condensateur
FOCUS PRODUIT
Condensateurs céramiques laminés haute et moyenne tension à faible perte, idéaux pour l'OBC automobile, la transmission de puissance sans fil et les alimentations de serveurs : Applications dans les circuits résonnants LC et LLC
Cet article présente les condensateurs céramiques multicouches (MLCC) haute et moyenne tension à faible perte qui sont optimaux pour les circuits résonnants utilisés dans les OBC automobiles, la transmission d'énergie sans fil et les serveurs. Il fournit une explication détaillée des caractéristiques et des critères de sélection lors de l'utilisation de ces condensateurs dans les circuits résonnants LC et LLC de haute puissance, qui ont été de plus en plus répandus ces dernières années.
1. Tendances du marché des systèmes d'alimentation électrique pour applications de haute puissance
Ces dernières années, l'utilisation de circuits résonnants s'est accrue.
Dans les alimentations à haut rendement de 100 W ou plus, telles que les OBC automobiles pour les VE et les PHV (véhicules électriques et véhicules hybrides rechargeables), les alimentations de serveurs et les alimentations de gros équipements, les circuits résonnants LLC sont largement adoptés. On estime que leur taux d'adoption dépasse les 90 %. En outre, dans le cadre du transfert d'énergie sans fil (WPT), les circuits résonnants LC sont utilisés pour transmettre et recevoir de grandes quantités d'énergie. Les produits compatibles avec le transfert d'énergie sans fil ne se limitent plus aux petits appareils tels que les smartphones et les tablettes, mais s'étendent à des produits plus volumineux tels que les automobiles et les robots de transport utilisés dans les processus de fabrication.
Les différents types de circuits résonants, tels que les circuits LC et LLC, étant de plus en plus répandus, il existe une demande croissante de condensateurs résonants (condensateurs utilisés dans les circuits résonants) qui offrent des valeurs de capacité stables supérieures à 10nF ainsi que des performances à faible perte. Traditionnellement, les condensateurs à film étaient la seule option disponible ; cependant, les condensateurs céramiques multicouches sont maintenant devenus courants en raison de leurs divers avantages. En particulier, les condensateurs céramiques multicouches sont préférés pour les circuits résonnants qui nécessitent une densité de puissance élevée.
Cet article technique explique les avantages de l'utilisation de condensateurs céramiques multicouches comme condensateurs résonants, tout en donnant un aperçu de leurs caractéristiques, des points à prendre en compte pour une utilisation efficace, des considérations de sélection et de la gamme de produits recommandée.
2. Exigences clés pour les condensateurs résonants dans les circuits résonants de forte puissance
2.1 Dans le cas de circuits résonnants avec une tension appliquée élevée
Par exemple, dans les circuits résonnants utilisés dans les produits qui gèrent des courants élevés, tels que les WPT automobiles, la tension appliquée aux condensateurs (V(p-p)) peut être très élevée, allant de plusieurs centaines de volts (p-p) à 10 000 volts (p-p), avec certains cas atteignant jusqu'à 10 000 V(p-p). Étant donné que la tension nominale des condensateurs céramiques multicouches est de 630 Vcc ou 1000 Vcc, il est nécessaire de connecter les condensateurs en série pour s'assurer que cette V(p-p) reste dans les limites de la tension nominale lorsqu'ils fonctionnent à des tensions élevées.
Lorsque les condensateurs sont connectés en série, leur capacité effective diminue ; des connexions parallèles sont donc nécessaires pour obtenir la capacité requise. Par conséquent, il est devenu courant d'utiliser des condensateurs résonants dans de multiples configurations en série et en parallèle, ce qui entraîne une demande de produits à faible encombrement.
2.2 Dans le cas de circuits résonnants avec une fréquence de résonance élevée
Sur le marché automobile, pour les WPT automobiles, la fréquence de résonance est fixée à 85 kHz conformément aux normes internationales. Cependant, pour les OBC pour VE et PHV, la fréquence de résonance varie selon les fabricants, de 60 kHz à 400 kHz. Dans ces applications, une tension élevée à haute fréquence est appliquée aux condensateurs, ce qui peut entraîner une augmentation de l'auto-échauffement.
Par conséquent, les condensateurs résonants doivent présenter des caractéristiques de perte plus faibles et minimiser l'augmentation de l'auto-échauffement au cours d'une utilisation à long terme.
2.3 Caractéristiques des condensateurs céramiques multicouches par rapport aux condensateurs à film
Caractéristiques des condensateurs céramiques multicouches
・Petite surface de montage (volume)
・Faible production de chaleur (faible ESR)
・Faible ESL
・Excellente fiabilité à long terme
・Température maximale de fonctionnement élevée
Les condensateurs céramiques multicouches ont une fiabilité à long terme supérieure à celle des condensateurs à film en raison de leur température maximale de fonctionnement élevée et de leur faible dégagement de chaleur. En outre, ils se caractérisent par un volume plus petit et une ESL plus faible pour des produits de même capacité. En raison de ces caractéristiques, les condensateurs céramiques multicouches sont largement utilisés comme condensateurs résonants dans les circuits résonants de haute puissance.
3. Introduction d'un condensateur céramique multicouche à moyenne-haute tension et à faibles pertes, recommandé comme condensateur résonant
Comme indiqué ci-dessus, les condensateurs résonants à faible perte et à moindre échauffement sont nécessaires pour les circuits résonants de forte puissance tels que les WPT pour les automobiles et les OBC pour les VE et les PHV. Pour répondre à cette demande de condensateurs résonants, Murata propose une gamme de condensateurs céramiques multicouches de moyenne à haute tension avec des tensions nominales de 630 Vdc et 1000 Vdc et utilisant des matériaux à faible perte.
Puce multicouche | Type de borne métallique multicouche | |
|---|---|---|
Apparence |
|
|
Fonctionnement | -55 à +125°C | -55 à +125°C |
Tension nominale (DC) | 630 V | 630 V |
Plage de température | C0G (EIA) : 0±30ppm/°C | C0G (EIA) : 0±30ppm/°C |
Plage de capacité | 5,6 à 10nF (taille 3216M) | 15 à 54nF |
Il existe deux formes de produits courantes : le type de puce standard et le type de puce avec des bornes métalliques (voir tableau 1). Le type de borne métallique permet d'empiler des puces de grande taille (taille 5750M), ce qui non seulement réduit la surface de montage, mais contribue également à atténuer le risque de "fissuration de la soudure" qui est un problème sur le marché de l'automobile.
Les grands produits tels que les OBC automobiles, les alimentations de serveurs et les alimentations de grands équipements qui intègrent des circuits résonnants exigent une fiabilité à long terme des condensateurs en raison de leurs périodes d'utilisation prolongées. Pour ces condensateurs céramiques multicouches, une durée de vie cible de 10 ans est fixée sur la base d'une utilisation continue.
4. Limites lors de la sélection de condensateurs céramiques multicouches pour les condensateurs résonants
Outre les produits présentés ci-dessus, il y a des considérations importantes à prendre en compte lors de la sélection des condensateurs (condensateurs résonants) à utiliser dans les circuits résonants. Une mauvaise sélection des condensateurs résonants dans les applications à haute puissance peut entraîner des incidents de fumée ou d'incendie dans l'équipement. Il en va de même pour les condensateurs céramiques multicouches, qui génèrent peu de chaleur et offrent une fiabilité à long terme ; il est donc essentiel de les sélectionner en tenant compte de leurs caractéristiques.
Nous expliquerons deux points que nous considérons comme particulièrement importants : "l'auto-échauffement des condensateurs" et "les courbes de déclassement de la tension".
4.1 Limitations dues à l'auto-échauffement
Les condensateurs résonants utilisés dans les applications de haute puissance présentent une augmentation de l'auto-échauffement après l'échauffement initial qui se produit immédiatement lors de l'application de la tension. Bien qu'une augmentation de l'auto-échauffement soit inévitable pour les condensateurs céramiques multicouches, il convient d'éviter les conditions de tension et de fréquence qui dépassent la température maximale de fonctionnement de 125°C pendant la durée de vie cible (par exemple, 10 ans) (voir figure 1).
Les condensateurs céramiques multicouches de Murata définissent la tension admissible Vdc comme la tension à laquelle la température de surface du condensateur atteint la température de fonctionnement maximale de 125°C pendant sa durée de vie cible. Lors de la sélection d'un condensateur, il est essentiel que la tension appliquée V(p-p) reste dans les limites de cette tension admissible.
Nous fournissons des "courbes de déclassement de la tension" (voir figure 2) pour chaque article, indiquant les tensions admissibles en fonction de la fréquence, qui sont détaillées dans les spécifications du produit et sur les fiches techniques de notre site web.
4.2 Limitations dues à la tension admissible
C'est notre point de vue sur la relation entre la tension admissible et la fréquence. Les "courbes de déclassement de la tension" présentées dans la figure 2 généralisent les graphiques de tension admissible établis pour chaque élément, qui peuvent être classés en trois régions en fonction de la gamme de fréquences.
Région 1 : Gamme de fréquences - En dessous de plusieurs 10 kHz : Limitations dues à la tension nominale
En raison de la basse fréquence de plusieurs 10 kHz ou moins, l'auto-échauffement des condensateurs est minime et la tension nominale devient la tension admissible. Toutefois, les cas où des condensateurs céramiques multicouches conçus pour des tensions moyennes et élevées à faible perte sont utilisés dans cette gamme de basses fréquences comme condensateurs résonants sont rares.
Région 2 : gamme de fréquences - plusieurs 10 kHz à plusieurs 100 kHz : Limitations dues à l'augmentation continue de la température
L'auto-échauffement immédiatement après l'application de la tension se situe dans un ΔT de 20 degrés*1, mais cette zone présente une augmentation de l'auto-échauffement due à l'application d'une tension élevée allant de plusieurs 10 kHz à plusieurs 100 kHz. Dans cette région, la tension admissible est définie comme la tension à laquelle la température de surface du condensateur atteint la température de fonctionnement maximale de 125°C sur sa durée de vie cible (dans le cas des produits présentés ici, une durée de vie cible de 10 ans). La plupart des cas où des condensateurs céramiques multicouches conçus pour des tensions moyennes et élevées à faible perte sont utilisés comme condensateurs résonants se situent dans cette région.
*1 Nous exigeons que, indépendamment des condensateurs à faible perte et à haute constante diélectrique, les conditions de fonctionnement garantissent que l'auto-échauffement du condensateur reste dans la limite de ΔT de 20 degrés.
Région 3 : Gamme de fréquences - Au-dessus de plusieurs 100 kHz : Limitations dues à l'échauffement initial immédiatement après l'application de la tension
Lorsque la fréquence est encore augmentée, l'auto-échauffement du condensateur immédiatement après l'application de la tension dépasse ΔT de 20 degrés. Comme indiqué précédemment, nous exigeons que, indépendamment des condensateurs à puce à faible perte ou à constante diélectrique élevée, les conditions de fonctionnement garantissent que l'auto-échauffement du condensateur reste en deçà d'un ΔT de 20 degrés. Pour les condensateurs céramiques multicouches à faible perte de moyenne et haute tension, la tension admissible est définie comme la tension à laquelle l'auto-échauffement atteint ΔT de 20 degrés ; il est donc nécessaire de sélectionner les produits de manière à ce que leur température reste inférieure à ce seuil.
5. Introduction à l'outil de sélection des condensateurs résonants : SimSurfing
Comme nous l'avons expliqué jusqu'à présent, la sélection de condensateurs résonnants implique la prise en compte de diverses caractéristiques, ce qui accroît la difficulté de la sélection des composants. Cela peut être un facteur qui complique les avancées technologiques dans des domaines en croissance rapide tels que les OBC automobiles, les alimentations de serveurs et les alimentations de gros équipements. Deux points peuvent être soulignés en particulier.
- La tension appliquée ayant tendance à être plus élevée, il arrive souvent que de multiples connexions en série et en parallèle soient utilisées, ce qui nécessite le calcul de la capacité équivalente.
- Il est nécessaire de maintenir la tension appliquée V(p-p) d'un seul condensateur en dessous de la "tension nominale".
Murata a développé un outil appelé "Simsurfing" pour aider nos clients à sélectionner les condensateurs résonants les mieux adaptés à leurs environnements d'exploitation. En entrant simplement la tension de fonctionnement, la température et la capacité requise du condensateur résonant, l'outil affiche les produits optimaux ainsi que le nombre recommandé de connexions en série et en parallèle. Cet outil permet de réduire la charge de travail des clients lors de la sélection et de la conception des pièces.
Le logiciel d'aide à la conception, SimSurfing, est disponible ici.
6. Recherche de condensateurs céramiques multicouches à faible perte de moyenne à haute tension recommandés pour les condensateurs résonnants !
Cliquez ici pour rechercher des produits de type condensateur à puce.
Cliquez ici pour rechercher des produits à bornes métalliques.
*Le contenu de l'article est basé sur les informations disponibles au moment de la publication. Il est possible qu'il diffère des informations les plus récentes.
