การชาร์จ EV อย่างปลอดภัยและน่าเชื่อถือโดยใช้ตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้นพร้อมส่วนปลายที่ยืดหยุ่น

ในขณะที่จำนวนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในยานยนต์เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว อุตสาหกรรมมักจะมุ่งเน้นไปที่เซ็นเซอร์, หน่วยควบคุมเครื่องยนต์ (ECU), การนำทาง, การเชื่อมต่อภายในห้องโดยสาร, เสียง และระบบช่วยเหลือผู้ขับขี่ขั้นสูง (ADAS) เนื่องจากรถยนต์ไฟฟ้า (EV) กลายเป็นกระแสหลัก ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ไฟฟ้าแรงสูงที่มีความน่าเชื่อถือสูงที่สามารถทนแรงดันไฟฟ้าได้สูงถึง 800 โวลต์และเป็นไปตามข้อกำหนดด้านสิ่งแวดล้อมที่เข้มงวดจึงกลายเป็นเรื่องสำคัญ ความต้องการนี้มีผลตั้งแต่ระดับตัวเก็บประจุ

นักออกแบบยานยนต์ที่เลือกตัวเก็บประจุจะต้องพิจารณาคุณสมบัติทางกายภาพและทางไฟฟ้าหลายอย่างขึ้นอยู่กับการใช้งานเฉพาะ ควบคู่ไปกับการปฏิบัติตามมาตรฐานเช่น AEC-Q200 สำหรับการต้านทานความเครียด ซึ่งจะต้องใช้ตัวเก็บประจุที่มีความทนทานสูงและค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิคงที่สำหรับฟีดแบ็คลูป ในการใช้งานความถี่สูง ค่าความเหนี่ยวนำสมมูลแบบอนุกรม (ESL) จะต้องมีค่าต่ำ ในการใช้งานด้านพลังงาน จำเป็นต้องมีส่วนประกอบที่มีความต้านทานสมมูลแบบอนุกรมต่ำ (ESR) เมื่อคาดว่าจะมีกระแสกระเพื่อมสูง ซึ่งสำหรับ EV การลดขนาดและน้ำหนักก็มีความสำคัญเช่นกัน

เพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ ตัวเก็บประจุเซรามิกหลายชั้น (MLCC) แบบติดตั้งบนพื้นผิวที่ผ่านการรับรองความปลอดภัยสามารถนำมาใช้ได้ ซึ่งสอดคล้องกับข้อกำหนดและการรับรองด้านความปลอดภัยระหว่างประเทศหลายฉบับ รวมถึง AEC-Q200

บทความนี้อธิบายถึงโครงสร้างของตัวเก็บประจุ MLCC และสิ่งที่จำเป็นสำหรับ MLCC สำหรับ EV จากนั้นจะแสดงให้เห็นถึงขนาดและประสิทธิภาพเชิงปริมาตร ตลอดจนคุณลักษณะต่างๆ เช่น การปิดด้วย FlexiCap และแรงดันไฟฟ้าที่ทนทานสูง ช่วยให้ MLCC เป็นไปตามข้อกำหนดทางกายภาพและทางไฟฟ้าได้อย่างไร รวมทั้งนำเสนอตัวอย่างการใช้งานจริงจาก Knowles Syfer

โครงสร้างของ MLCC

MLCC เป็นตัวเก็บประจุแบบติดตั้งบนพื้นผิวที่ประกอบด้วยองค์ประกอบตัวเก็บประจุหลายตัวเรียงซ้อนกันในแนวตั้งและเชื่อมต่อแบบขนานโดยปลายสุด นั้นจึงเป็นที่มาของคำว่าหลายชั้น (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: มุมมองภาคตัดขวางของโครงสร้างของ MLCC แสดงเลเยอร์ของตัวเก็บประจุหลายตัวที่ซ้อนกันในแพ็คเกจทั่วไป (แหล่งที่มาภาพ: Knowles Syfer)

ในการสร้าง MLCC ชั้นของไดอิเล็กตริกเซรามิกจะถูกสร้างขึ้นโดยใช้กระบวนการวางโลหะสลับกับอิเล็กโทรดของขั้วไฟฟ้าสำรอง ซึ่งทำให้สามารถสร้างเลเยอร์จำนวนมากได้ การเชื่อมต่อแบบขนานของคู่อิเล็กโทรดขั้วบวก (+) และขั้วลบ (-) หลายคู่ทำให้มีค่าความจุมากได้ในแพคเกจขนาดเล็ก

อิเล็กโทรดเป็นโลหะและนำไฟฟ้าได้สูง กระบวนการผลิตกำหนดให้อิเล็กโทรดไม่มีปฏิกิริยาทางเคมีและมีจุดหลอมเหลวสูง โดยตัวเก็บประจุ Knowles Syfer MLCC ใช้ส่วนผสมของเงินและแพลเลเดียมเป็นอิเล็กโทรด

ไดอิเล็กตริกต้องเป็นฉนวนที่ดีด้วย ซึ่งสภาพยอมสัมพัทธ์หรือค่าคงที่ไดอิเล็กตริก (e_r) กำหนดค่าความจุได้สำหรับส่วนประกอบที่กำหนด ตัวอย่างเช่น Knowles Syfer ที่เป็น MLCC ที่ติดตั้งบนพื้นผิวที่ผ่านการรับรองความปลอดภัยขั้นสูง มาพร้อมกับเซรามิกไดอิเล็กตริกสองชั้น ชั้นแรกคือ C0G/NP0 ไดอิเล็กตริก EIA คลาส 1 ซึ่งมีค่าสภาพยอมระหว่าง 20 ถึง 100 เมื่อเทียบกับค่าสภาพยอมของสุญญากาศซึ่งมี e_r เท่ากับ 0 ชั้นที่สองคือ X7R ซึ่งเป็นอิเล็กทริก EIA Class 2 ที่มี e_r ระหว่าง 2,000 ถึง 3,000 ในการเปรียบเทียบ e_r ของไมก้าเท่ากับ 5.4 และฟิล์มพลาสติกเท่ากับ 3 ดังนั้นตัวเก็บประจุเซรามิกจะมีขนาดเล็กลงสำหรับค่าความจุที่กำหนด การเลือกไดอิเล็กตริกจะส่งผลต่อความเสถียรของตัวเก็บประจุที่เกี่ยวกับอุณหภูมิ แรงดันไฟฟ้าที่ใช้ และเวลา โดยทั่วไป ค่า e_r ยิ่งสูงขึ้น ค่าความจุมีความเสถียรยิ่งน้อยลง

EIA ได้จัดประเภทคลาสไดอิเล็กทริก 2 ประเภทด้วยการจำแนกตัวอักษรและตัวเลข ตัวอักษรตัวแรกระบุอุณหภูมิต่ำสุด ตัวเลขระบุอุณหภูมิสูงสุด และตัวอักษรสุดท้ายระบุค่าความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้ ไดอิเล็กตริก X7R แปลได้ว่ามีอุณหภูมิต่ำสุดที่ -55°C อุณหภูมิสูงสุดที่ +125°C และความทนทานต่อความจุไฟฟ้าที่ ±15% ไดอิเล็กตริกคลาส 1 เช่น C0G มีรหัสที่คล้ายกัน อักขระตัวแรกคือตัวอักษรแสดงตัวเลขที่สำคัญของการเปลี่ยนแปลงความจุโดยมีหน่วยเป็นอุณหภูมิส่วนในล้านส่วนต่อองศาเซลเซียส (ppm/°C) สำหรับไดอิเล็กตริก C0G ค่า C แทนตัวเลขที่มีนัยสำคัญเป็นศูนย์ ppm/°C สำหรับความเสถียรของอุณหภูมิ ตัวเลขที่สองคือตัวคูณสำหรับความเสถียรของอุณหภูมิ 0 หมายถึงตัวคูณของ 10^-1 . ตัวอักษรตัวสุดท้าย G กำหนดข้อผิดพลาดของความจุที่ ±30 ppm

ไดอิเล็กตริกคลาส 1 ให้ความแม่นยำและความเสถียรสูงกว่า และยังมีการสูญเสียที่ต่ำกว่า ไดอิเล็กตริกคลาส 2 มีความเสถียรน้อยกว่า แต่ให้ประสิทธิภาพเชิงปริมาตรสูงกว่า จึงให้ความจุต่อหน่วยปริมาตรมากกว่า ดังนั้น ตัวเก็บประจุ MLCC ที่มีมูลค่าสูงกว่าโดยทั่วไปจึงใช้ไดอิเล็กตริกคลาส 2 ซึ่ง MLCC ที่ได้รับการรับรองความปลอดภัยขั้นสูงของ Knowles Syfer มีช่วงความจุสูงที่ 4.7 picofarads (pF) ถึง 56 nanofarads (nF) ขึ้นอยู่กับตัวเลือกของไดอิเล็กทริก และอัตราแรงดันไฟฟ้าสูงถึง 305 โวลต์กระแสสลับ (VAC)

ความจุของ MLCC เป็นสัดส่วนโดยตรงกับพื้นที่ทับซ้อนกันของอิเล็กโทรด เช่นเดียวกับ e_r ของไดอิเล็กตริกเซรามิก ความจุจะแปรผกผันกับความหนาของไดอิเล็กตริก ในขณะที่พิกัดแรงดันเป็นสัดส่วนกัน ดังนั้นจึงมีการแลกเปลี่ยนระหว่างความจุ พิกัดแรงดัน และขนาดทางกายภาพของตัวเก็บประจุ

MLCC สำหรับ EV

MLCC มี ESL และ ESR ค่อนข้างต่ำ ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานความถี่สูง และด้วยไดอิเล็กทริกที่มีให้เลือกมากมาย ค่าความจุและช่วงความคลาดเคลื่อนที่ยอมรับได้จึงสามารถปรับให้เหมาะสมกับการใช้งานได้ โดย MLCC เป็นส่วนประกอบที่ติดตั้งบนพื้นผิวพร้อมแพ็คเกจที่มีประสิทธิภาพเชิงปริมาตร ซึ่งช่วยจัดการกับข้อจำกัดของพื้นที่ใน EV นอกจากนี้ยังมีความทนทานสูงต่อแรงดันไฟฟ้าชั่วคราวเมื่อเปรียบเทียบกับตัวเก็บประจุแบบอะลูมิเนียมอิเล็กโทรไลติกและแบบแทนทาลัม

แม้ว่า MLCC จะถูกใช้อย่างแพร่หลาย แต่หากได้รับแรงเค้นเชิงกลเนื่องจากการสั่นสะเทือนหรือแรงกระแทก ก็สามารถแตกร้าวได้ ซึ่งรอยแตกทำให้อุปกรณ์เสื่อมสภาพจากความชื้นที่เข้าไป นักออกแบบของ Knowles Syfer ได้แก้ไขปัญหานี้ด้วยการสร้างส่วนปลาย FlexiCap ที่ให้ความทนทานต่อแรงเค้นของส่วนประกอบที่เพิ่มขึ้น (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: การออกแบบ FlexiCap ใช้ฐานส่วนปลายของโพลิเมอร์อีพ็อกซี่ที่มีความยืดหยุ่นที่เป็นกรรมสิทธิ์เฉพาะด้วยตัวกั้นที่ฝาปิด เพื่อให้ทนทานต่อความเสียหายเนื่องจากการดัดงอของบอร์ด (แหล่งที่มาภาพ: Knowles Syfer)

ฐานส่วนปลายแบบยืดหยุ่นที่ใช้ใน FlexiCap ถูกนำไปใช้กับอิเล็กโทรด วัสดุนี้เป็นอีพอกซีโพลิเมอร์ที่เติมธาตุเงินเข้าไปซึ่งใช้เทคนิคส่วนปลายแบบธรรมดาและอบด้วยความร้อน มีความยืดหยุ่น ดูดซับความเครียดเชิงกลระหว่างบอร์ดและ MLCC ที่ติดตั้ง

เป็นผลให้ส่วนประกอบที่ปิดปลายด้วย FlexiCap ทนทานต่อความเครียดเชิงกลในระดับที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับส่วนประกอบที่สปิดปลายด้วยการเผาผนึก นอกจากนี้ FlexiCap ยังมีการป้องกันที่ดีขึ้นจากการแตกร้าวเชิงกลและในการใช้งานที่มีการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็ว สำหรับนักออกแบบของ EV ผลลัพธ์ที่ได้คือระดับความทนทานต่อแรงดัดงอที่มากขึ้นในการจัดการกับบอร์ด ซึ่งทำให้ผลผลิตที่เพิ่มขึ้นและความล้มเหลวขณะใช้งานลดลง

สำหรับ EV ก็เช่นกัน ตัวเก็บประจุที่ผ่านการรับรองความปลอดภัยของ Knowles Syfer จะมาพร้อมคุณสมบัติ AEC-Q200 โดยชิ้นส่วนต่าง ๆ จะถือว่าผ่านเกณฑ์ "AEC-Q200" หากชิ้นส่วนผ่านชุดการทดสอบความเค้นที่เข้มงวดสำหรับอุณหภูมิ การเปลี่ยนอุณหภูมิฉับพลัน ความต้านทานต่อความชื้น ความทนทานต่อมิติ ความต้านทานต่อตัวทำละลาย การเปลี่ยนแปลงทางกลเฉียบพลัน การสั่นสะเทือน การปล่อยไฟฟ้าสถิต ความสามารถในการบัดกรี เทียบกับอุปกรณ์อื่น ๆ

ในทางไฟฟ้า อุปกรณ์ที่ผ่านการรับรองความปลอดภัยมีความต้านทานไดอิเล็กตริกสูง (DWV) ที่ 4 กิโลโวลต์กระแสตรง (kV_DC ) และ 3 kV_RMS สิ่งเหล่านี้เป็นคุณลักษณะที่สำคัญสำหรับระบบการชาร์จ EV 800 โวลต์ ซึ่งจำเป็นต้องมีการทดสอบที่กว้างและมีค่าเผื่อความปลอดภัย

ตัวอย่างของ MLCC สำหรับ EV

จากผลิตภัณฑ์ที่ได้รับการรับรองความปลอดภัยขั้นสูงของ Knowles Syfer ค่าตัวเก็บประจุที่หลากหลายมีทั้งส่วนปลาย Flexicap และคุณสมบัติ AEC-Q200 ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งาน EV โดยเฉพาะ ตัวอย่างเช่น 1808JA250101JKTSYX เป็นตัวเก็บประจุ 100 pF C0G/NP0 ที่มีพิกัดแรงดันไฟฟ้า 250 โวลต์ AC สำหรับการใช้งานคลาส Y2 (ระหว่างไลน์และกราวน์) และ 305 โวลต์ AC ในการใช้งานคลาส X1 (ระหว่างไลน์และไลน์) ที่มีค่าความคลาดเคลื่อน ±5% บรรจุอยู่ในแพ็คเกจ 1808 ขนาด 0.195 x 0.079 นิ้ว หรือ 4.95 x 2.00 มิลลิเมตร (มม.) (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: แสดงเป็นขนาดทางกายภาพของ 1808JA250101JKTSYX MLCC (ซ้าย) พร้อมกับเค้าโครงแผ่นประสานที่แนะนำ (ขวา) (แหล่งที่มาภาพ: Knowles Syfer)

ตัวเก็บประจุ X7R ทั่วไปคือ Knowles Syfer 1812Y2K00103KST อุปกรณ์ 10,000 pF ±10% 2 kV ในแพ็คเกจ 1812 ที่มีขนาด 4.5 x 3.2 x 2.5 มม. ทั้งตัวเก็บประจุประเภท 1808JA250101JKTSYX และ 1812Y2K00103KST มีช่วงพิกัดอุณหภูมิที่ -55°C ถึง +125°C ผลิตภัณฑ์มีจำหน่ายในขนาด 1808, 1812, 2211, 2215 และ 2220 ขึ้นอยู่กับไดอิเล็กตริกที่ใช้ ค่าความจุ และอัตราแรงดันไฟฟ้า

ตัวอย่างอื่นๆ ได้แก่ Knowles Syfer 1808JA250101JKTS2X, 100 pF, 250 โวลต์ AC (Class X2), 1 kV DC, เป็นตัวเก็บประจุ C0G/NP0 ที่มีความทนทาน ±5% และ 2220YA250102KXTB16 เป็นตัวเก็บประจุ X7R 1000 pF ±10% 250 โวลต์

ข้อกำหนดในการผลิตสำหรับการติดตั้งและการบัดกรีตัวเก็บประจุแบบปลาย FlexiCap จะเหมือนกันกับข้อกำหนดสำหรับ MLCC ที่มีการเผาผนึกแบบมาตรฐาน ดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีการจัดการพิเศษ นอกจากนี้จากรูปที่ 3 ตัวเก็บประจุชิปของ Knowles สามารถติดตั้งได้โดยใช้เค้าโครงแผ่นรองที่สอดคล้องกับ IPC-7351 ข้อกำหนดทั่วไปสำหรับการออกแบบติดตั้งบนพื้นผิวและมาตรฐานแลนด์แพทเทิร์น ยิ่งไปกว่านั้น ยังมีปัจจัยอื่นๆ ที่ช่วยลดความเค้นเชิงกล เช่น การลดความกว้างของแพดให้น้อยกว่าความกว้างของชิป

สรุป

MLCC ส่วนปลายแบบ Flexicap ที่ผ่านการรับรองมาตรฐาน AEC-Q200 ของ Knowles Syfer นั้นเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน EV โดยเฉพาะอย่างยิ่งระบบแบตเตอรี่ 800 โวลต์ ซึ่งจำเป็นต้องมีแรงดันทดสอบที่เพิ่มขึ้นและมีค่าเผื่อความปลอดภัยเพื่อรองรับไฟกระชากและสภาวะชั่วคราว ส่วนปลายแบบ FlexiCap ทำให้ตัวเก็บประจุสามารถจัดการกับความเครียดเชิงกลในระดับที่สูงขึ้นได้ ด้วยเหตุนี้และการผ่านการรับรองมาตรฐาน AEC-Q200 จึงนำเสนอการผสมผสานระหว่างความสามารถ ความเสถียร และการรับรองความปลอดภัย