Capacitor
FOCO NO PRODUTO
Capacitores cerâmicos laminados de baixa perda e alta tensão, ideais para OBC automotivo, transmissão de energia sem fio e fontes de alimentação de servidores: aplicações em circuitos ressonantes LC e LLC
Este artigo apresenta capacitores cerâmicos multicamadas (MLCC) de baixa perda e alta tensão, ideais para circuitos ressonantes utilizados em OBCs automotivos, transmissão de energia sem fio e servidores. Ele fornece uma explicação detalhada das características e critérios de seleção para a utilização desses capacitores em circuitos ressonantes LC e LLC de alta potência, que têm se tornado cada vez mais comuns nos últimos anos.
1. Tendências do mercado dos sistemas de alimentação eléctrica para aplicações de alta potência
Nos últimos anos, a utilização de circuitos ressonantes tem vindo a aumentar.
Nas fontes de alimentação de alta eficiência de 100 W ou mais, como as OBC para veículos eléctricos e PHV (veículos eléctricos e veículos híbridos plug-in), as fontes de alimentação para servidores e as fontes de alimentação para grandes equipamentos, os circuitos ressonantes LLC são amplamente adoptados. Estima-se que a sua taxa de adoção seja superior a 90%. Além disso, na transferência de energia sem fios (WPT), os circuitos ressonantes LC são utilizados para transmitir e receber grandes quantidades de energia. Os produtos com WPT expandiram-se para além dos pequenos dispositivos, como smartphones e tablets, para incluir produtos maiores, como automóveis e robôs de transporte utilizados em processos de fabrico.
À medida que vários tipos de circuitos ressonantes, como LC e LLC, se tornam mais prevalecentes, há uma procura crescente de condensadores ressonantes (condensadores utilizados em circuitos ressonantes) que ofereçam valores de capacidade estáveis superiores a 10nF, juntamente com um desempenho de baixas perdas. Tradicionalmente, os condensadores de película eram a única opção disponível; no entanto, os condensadores cerâmicos multicamadas tornaram-se agora populares devido às suas diversas vantagens. Especificamente, os condensadores cerâmicos multicamadas são preferidos para circuitos ressonantes que requerem uma elevada densidade de potência.
Este artigo técnico explicará as vantagens da utilização de condensadores cerâmicos multicamada como condensadores ressonantes, fornecendo simultaneamente informações sobre as suas caraterísticas, pontos para uma utilização eficaz, considerações de seleção e linha de produtos recomendada.
2. Requisitos-chave para condensadores ressonantes em circuitos ressonantes de alta potência
2.1 No caso de circuitos ressonantes com elevada tensão aplicada
Por exemplo, nos circuitos ressonantes utilizados em produtos que manuseiam correntes elevadas, como os WPT para automóveis, a tensão aplicada aos condensadores (V(p-p)) pode ser bastante elevada, variando entre várias centenas de volts (p-p) e 10 000 volts (p-p), chegando nalguns casos a atingir 10 000 V(p-p). Uma vez que a tensão nominal dos condensadores cerâmicos multicamadas é de 630 Vdc ou 1000 Vdc, é necessário ligar condensadores em série para assegurar que este V(p-p) se mantém dentro dos limites da tensão nominal quando funcionam a altas tensões.
Quando os condensadores são ligados em série, a sua capacitância efectiva diminui; por conseguinte, são necessárias ligações paralelas para obter a capacitância necessária. Consequentemente, tornou-se comum a utilização de condensadores ressonantes em múltiplas configurações em série e em paralelo, o que levou a uma procura de produtos com dimensões mais reduzidas.
2.2 No caso de circuitos ressonantes com uma frequência de ressonância elevada
No mercado automóvel, a frequência de ressonância dos WPT para automóveis é fixada em 85 kHz, de acordo com as normas internacionais. No entanto, para os OBC para veículos eléctricos e veículos pesados, a frequência de ressonância varia consoante o fabricante, oscilando entre 60 kHz e 400 kHz. Nestas aplicações, é aplicada uma tensão elevada de alta frequência aos condensadores, o que pode levar a um aumento do auto-aquecimento.
Por conseguinte, é necessário que os condensadores ressonantes tenham caraterísticas de perdas mais baixas e minimizem o aumento do auto-aquecimento durante a utilização a longo prazo.
2.3 Caraterísticas dos condensadores cerâmicos multicamada em comparação com os condensadores de película
Caraterísticas dos condensadores cerâmicos multicamada
・ Pequena área de montagem (volume)
・Baixa geração de calor (baixa ESR)
・Baixa ESL
・Excelente fiabilidade a longo prazo
・Temperatura máxima de funcionamento elevada
Os condensadores cerâmicos multicamada têm uma fiabilidade superior a longo prazo em comparação com os condensadores de película, devido à sua elevada temperatura máxima de funcionamento e baixa produção de calor. Além disso, caracterizam-se por um volume mais pequeno e uma ESL mais baixa para produtos com a mesma capacitância. Devido a estas caraterísticas, os condensadores cerâmicos multicamadas são amplamente utilizados como condensadores ressonantes em circuitos ressonantes de alta potência.
3. Introdução de um condensador cerâmico multicamada de média-alta tensão e baixas perdas recomendado como condensador ressonante
Como mencionado acima, os condensadores ressonantes com baixas perdas e menor auto-aquecimento são necessários para circuitos ressonantes de alta potência, tais como WPTs para automóveis e OBCs para EVs e PHVs. Para satisfazer esta procura de condensadores ressonantes, a Murata oferece uma linha de condensadores cerâmicos multicamada de média e alta tensão com tensões nominais de 630 Vdc e 1000 Vdc e utilizando materiais de baixa perda.
Condensador cerâmico | Terminal metálico tipo multicamada | |
|---|---|---|
Aparência |
|
|
Funcionamento | -55 a +125°C | -55 a +125°C |
Tensão nominal (DC) | 630 V | 630 V |
Gama de temperaturas | C0G (EIA): 0±30ppm/°C | C0G (EIA): 0±30ppm/°C |
Gama de capacitância | 5,6 a 10nF (tamanho 3216M) | 15 a 54nF |
Existem duas formas comuns de produto: o tipo de chip padrão e o tipo de chip com terminais metálicos (ver Quadro 1). O tipo de terminal metálico permite o empilhamento de pastilhas de grandes dimensões (tamanho 5750M), o que não só reduz a área de montagem como também ajuda a atenuar o risco de "fissuração da solda", que é uma preocupação no mercado automóvel.
Os grandes produtos, como os OBC para automóveis, as fontes de alimentação para servidores e as fontes de alimentação para grandes equipamentos que incorporam circuitos ressonantes, exigem uma fiabilidade a longo prazo dos condensadores devido aos seus longos períodos de utilização. Para estes condensadores cerâmicos multicamadas, é estabelecido um objetivo de vida útil de 10 anos com base na utilização contínua.
4. Limitações na seleção de condensadores cerâmicos multicamada para condensadores ressonantes
Incluindo os produtos acima apresentados, há considerações importantes a ter em conta na seleção de condensadores (condensadores ressonantes) para utilização em circuitos ressonantes. A seleção incorrecta de condensadores ressonantes em aplicações de alta potência pode levar a incidentes de fumo ou fogo no equipamento. Isto também se aplica aos condensadores cerâmicos multicamadas, que oferecem baixa produção de calor e fiabilidade a longo prazo; por conseguinte, é essencial seleccioná-los tendo em conta as suas caraterísticas.
Explicaremos dois pontos que consideramos particularmente importantes: o "auto-aquecimento dos condensadores" e as "curvas de redução de tensão".
4.1 Limitações devidas ao auto-aquecimento
Os condensadores ressonantes utilizados em aplicações de alta potência apresentam um aumento do auto-aquecimento após o aquecimento inicial que ocorre imediatamente após a aplicação da tensão. Embora o aumento do auto-aquecimento seja inevitável para os condensadores cerâmicos multicamada, devem ser evitadas condições de tensão e frequência que excedam a temperatura máxima de funcionamento de 125°C dentro do tempo de vida útil previsto (por exemplo, 10 anos) (ver Figura 1).
Os condensadores cerâmicos multicamada da Murata definem a tensão admissível Vdc como a tensão à qual a temperatura da superfície do condensador atinge a temperatura máxima de funcionamento de 125°C durante o seu tempo de vida útil. Ao selecionar um condensador, é essencial que a tensão aplicada V(p-p) se mantenha dentro desta tensão permitida.
Fornecemos "curvas de redução de tensão" (ver Figura 2) para cada item, mostrando as tensões permitidas de acordo com a frequência, que são detalhadas nas especificações do produto e nas folhas de especificações do nosso sítio Web.
4.2 Limitações devidas à tensão admissível
Esta é a nossa perspetiva sobre a relação entre a tensão admissível e a frequência. As "curvas de redução de tensão" apresentadas na Figura 2 generalizam os gráficos de tensão admissível definidos para cada item, que podem ser classificados em três regiões com base na gama de frequências.
Região 1: Gama de frequências - inferior a vários 10 kHz: Limitações devidas à tensão nominal
Devido à baixa frequência de vários 10 kHz ou menos, o auto-aquecimento dos condensadores é mínimo e a tensão nominal torna-se a tensão admissível. No entanto, são raros os casos em que os condensadores cerâmicos multicamadas concebidos para perdas reduzidas de média e alta tensão são utilizados nesta gama de baixas frequências como condensadores ressonantes.
Região 2: Gama de frequências - Vários 10 kHz a Vários 100 kHz: Limitações devido ao aumento contínuo da temperatura
O auto-aquecimento imediatamente após a aplicação da tensão está dentro de ΔT de 20 graus*1, mas esta área exibe um aumento no auto-aquecimento devido à aplicação de alta tensão variando de vários 10 kHz a vários 100 kHz. Nesta região, a tensão admissível é definida como a tensão à qual a temperatura da superfície do condensador atinge a temperatura máxima de funcionamento de 125°C durante a sua vida útil prevista (no caso dos produtos aqui apresentados, uma vida útil prevista de 10 anos). A maior parte dos casos em que os condensadores cerâmicos multicamada concebidos para perdas reduzidas de média e alta tensão são utilizados como condensadores ressonantes situam-se nesta região.
*1 Exigimos que, independentemente dos condensadores de baixa perda e de elevada constante dieléctrica, as condições de funcionamento assegurem que o auto-aquecimento do condensador se mantenha dentro de um ΔT de 20 graus.
Região 3: Gama de frequências - Acima de vários 100 kHz: Limitações devido ao aquecimento inicial imediatamente após a aplicação da tensão
Quando a frequência aumenta ainda mais, o auto-aquecimento do condensador imediatamente após a aplicação da tensão excede o ΔT de 20 graus. Como já foi referido, exigimos que, independentemente dos condensadores de baixa perda ou de elevada constante dieléctrica, as condições de funcionamento assegurem que o auto-aquecimento do condensador se mantenha dentro de um ΔT de 20 graus. Para os condensadores cerâmicos multicamadas de baixa perda de média e alta tensão, a tensão admissível é definida como a tensão à qual o auto-aquecimento atinge ΔT de 20 graus; por conseguinte, é necessário selecionar os produtos de modo a que a sua temperatura se mantenha abaixo deste limiar.
5. Introdução à Ferramenta de Seleção para Condensadores Ressonantes: SimSurfing
Como explicado até agora, a seleção de condensadores ressonantes envolve a consideração de várias caraterísticas, o que aumenta a dificuldade da seleção de componentes. Este pode ser um fator que complica os avanços tecnológicos em áreas em rápido crescimento, como os OBC para automóveis, as fontes de alimentação para servidores e as fontes de alimentação para grandes equipamentos. Em particular, dois pontos podem ser destacados.
- Devido a uma tendência para a tensão aplicada ser mais elevada, é frequente a utilização de múltiplas ligações em série e em paralelo, o que obriga ao cálculo da capacitância equivalente.
- É necessário manter a tensão aplicada V(p-p) de um único condensador abaixo da "tensão nominal".
A Murata desenvolveu uma ferramenta chamada "Simsurfing" para ajudar os nossos clientes a selecionar os condensadores ressonantes mais adequados para os seus ambientes de funcionamento. Basta introduzir a tensão de funcionamento, a temperatura e a capacitância necessária do condensador ressonante para que a ferramenta apresente os produtos ideais, juntamente com o número recomendado de ligações em série e em paralelo. Esta ferramenta ajuda a reduzir a carga sobre os clientes durante a seleção e conceção de peças.
O software de apoio à conceção, SimSurfing, pode ser encontrado aqui.
6. Procura de condensadores cerâmicos multicamada de baixa perda de média a alta tensão recomendados para condensadores ressonantes!
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*O conteúdo do artigo baseia-se em informações disponíveis no momento da publicação. Pode ser diferente das informações mais recentes.
