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Sfruttate i vantaggi dei condensatori ceramici per aumentare la densità di potenza e l'efficienza di conversione

Di Majeed Ahmad

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

Dai server di dati per Internet delle cose (IoT) ai veicoli elettrici (EV), i progettisti di sistemi di alimentazione sono sempre sotto pressione per ottenere una maggiore densità di potenza e una più alta efficienza di conversione. Mentre gran parte dell'attenzione si è concentrata sui dispositivi di commutazione a semiconduttore per ottenere questi miglioramenti, le caratteristiche intrinseche dei condensatori ceramici multistrato (MLCC) fanno sì che possano anche svolgere un ruolo importante nell'aiutare i progettisti a soddisfare i requisiti di progettazione. Queste caratteristiche includono basse perdite, capacità di gestire alta tensione e corrente di ripple, resistenza all'alta tensione ed elevata stabilità ai valori estremi della temperatura di funzionamento.

Questo articolo descrive la costruzione dei condensatori ceramici (MLCC) e come incrementano la gestione della potenza sui rail c.a. e c.c., anche quando posizionati accanto a semiconduttori a commutazione rapida. Saranno trattati i dielettrici di Classe I e Classe II e verrà illustrata la capacità degli MLCC miniaturizzati di asservire sistemi di potenza come i soppressori e i convertitori risonanti.

Struttura degli MLCC

Gli MLCC sono dispositivi monolitici costituiti da strati alternati di dielettrici ceramici ed elettrodi metallici (Figura 1). Gli strati laminati negli MLCC sono realizzati ad alte temperature per produrre un dispositivo capacitivo sinterizzato e volumetricamente efficiente. Per completare la connessione, alle estremità esposte viene successivamente integrata una barriera di terminazione conduttiva.

Immagine dei dielettrici in ceramica classificati in base alla stabilità termica e alla costante dielettricaFigure 1: I dielettrici in ceramica sono classificati in base alla stabilità termica e alla costante dielettrica. (Immagine per gentile concessione di KEMET)

I dispositivi ceramici, non polari, che offrono una maggiore efficienza volumetrica, possono fornire una capacità più elevata in contenitori di dimensioni più piccole. Inoltre, sono più affidabili nel funzionamento ad alta frequenza. Ciò consente agli MLCC di fornire la giusta combinazione di dielettrico, sistema di terminazione, fattore di forma e schermatura.

Tuttavia, esistono vari problemi che richiedono attenzione da parte dei progettisti nella scelta dei condensatori ceramici per applicazioni ad alta densità di potenza. Anzitutto, la capacità può essere influenzata dalla temperatura di funzionamento, dalla polarizzazione c.c. applicata e dal tempo dopo l'ultimo riscaldamento. Il tempo dopo l'ultimo riscaldamento, ad esempio, può causare uno spostamento della capacità che porta all'invecchiamento del condensatore (Figura 2).

Codice EIA PME (elettrodi in metallo prezioso)
BME (elettrodi a base metallica)
Invecchiamento tipico (%/ore decade) Tipico "tempo referee" (ore)
C0G PME/BME 0 N/A
X7R BME 2,0 1.000
X5R BME 5,0 48

Figura 2: Invecchiamento in percentuale di capacità nel tempo. (Immagine per gentile concessione di KEMET)

Ancor più importante, i ripple generati da dispositivi a semiconduttori IGBT o MOSFET a commutazione rapida possono influire sulle prestazioni del condensatore che ha una certa impedenza e autoinduttanza. È quindi assolutamente necessario che i condensatori limitino le fluttuazioni in quanto dispositivi come gli inverter richiedono sporadicamente forti correnti e di conseguenza un'elevata tolleranza alla corrente di ripple.

Poi c'è la resistenza in serie equivalente del condensatore (ESR), una caratteristica fondamentale che rappresenta la resistenza interna totale specificata a frequenza e temperatura date. Riducendo al minimo la ESR, un progettista riduce le perdite di potenza dovute alla generazione di calore.

Un altro aspetto è una bassa induttanza in serie equivalente (ESL) che aumenta la gamma di frequenza operativa e consente un'ulteriore miniaturizzazione dei condensatori ceramici. La somma di una bassa ESR e una bassa ESL aumenta la capacità di gestione della potenza di un condensatore e riduce al minimo i segnali parassiti del dispositivo. Inoltre, contribuisce a ridurre le perdite, consentendo ai condensatori di funzionare a elevati livelli di corrente di ripple.

Un'altra considerazione critica nella progettazione è la scelta del materiale dielettrico. È questo elemento che determina la variazione di capacità rispetto alla temperatura (Figura 3). Se da un lato i materiali dielettrici di Classe I come C0G e U2J offrono un dielettrico più stabile in temperatura, dall'altro hanno una costante dielettrica inferiore (K). Dal canto loro, i materiali di Classe II come X7R e X5R hanno caratteristiche medie di stabilità e del valore K, ma offrono valori di capacità molto più elevati.

Grafico dei materiali dielettrici di Classe I e IIFigura 3: I materiali dielettrici di Classe I e Classe II si differenziano principalmente in termini di capacità che varia in funzione della temperatura. (Immagine per gentile concessione di KEMET)

Tuttavia, per sistemi di potenza a commutazione rapida, maggiore è la frequenza operativa, minore è la capacità necessaria per erogare la potenza. Grazie a ciò è possibile utilizzare i condensatori ceramici a basso K al posto degli ingombranti condensatori a film ad alta capacità, aumentando significativamente la densità di potenza. I condensatori ceramici hanno un ingombro più modesto e sono quindi montabili più vicino ai semiconduttori a commutazione rapida, richiedendo un raffreddamento minimo nelle applicazioni ad alta densità di potenza.

MLCC con dielettrici di Classe I

Buoni esempi di condensatori di Classe I sono quelli prodotti da KEMET come i KC-LINK, ad esempio CKC33C224KCGACAUTO (0,22 µF, 500 V), CKC33C224JCGACAUTO (0,22 µF, 500 V) e CKC18C153JDGACAUTO (15 nF, 1000 V). Il materiale utilizzato per il dielettrico di Classe I è lo zirconato di calcio che promuove un funzionamento estremamente stabile senza perdite di capacità dovute alla frequenza di commutazione, alla tensione applicata o alla temperatura ambiente. Il materiale dielettrico a bassa perdita in zirconato di calcio riduce al minimo gli effetti dell'invecchiamento dato che non presenta variazioni di capacità nel tempo.

I condensatori KC-LINK utilizzano la tecnologia del dielettrico C0G per ottenere una ESR molto bassa e la capacità di gestire una corrente di ripple molto elevata, come richiesto in progetti ad alta densità di potenza. L'elevata robustezza meccanica permette di montare questi condensatori ceramici di Classe I senza l'uso di leadframe, il che contribuisce anche ad una ESL estremamente bassa.

Questi condensatori ceramici possono funzionare con correnti di ripple molto elevate senza alcuna variazione di capacità rispetto alla tensione c.c. e con variazioni trascurabili della capacità su un intervallo della temperatura di funzionamento tra -55 °C e 150 °C. Sono disponibili con valori di capacità che vanno da 4,7 nF a 220 nF e di tensione da 500 V a 1700 V (Figura 4).

Il grafico mostra che i condensatori ceramici KC-LINK di KEMET possono essere posizionati più vicino ai semiconduttori a commutazione rapidaFigura 4: Con una temperatura di funzionamento di 150 °C, i condensatori ceramici KC-LINK possono essere posizionati più vicino ai semiconduttori a commutazione rapida in applicazioni ad alta densità di potenza con requisiti di raffreddamento minimo. (Immagine per gentile concessione di KEMET)

È bene notare che i condensatori KC-LINK, basati su materiale dielettrico di Classe I, offrono una capacità intrinseca inferiore rispetto ai condensatori di Classe II di dimensioni equivalenti. Di conseguenza, se è richiesta una maggiore capacità, si possono abbinare assieme in un'unica struttura monolitica più condensatori KC-LINK per creare un assieme a densità più elevata.

Il risultato di questo consolidamento di condensatori è una soluzione a basso rumore simile al KC-LINK ma con una capacità fino al 125% in più. I condensatori a montaggio superficiale KONNEKT di KEMET, basati anch'essi su un materiale dielettrico di Classe I, forniscono valori di capacità più elevati che vanno da 100 pF a 0,47 µF. Mantengono oltre il 99% della loro capacità nominale alle tensioni nominali e sono idonei per applicazioni critiche dal punto di vista della temporizzazione e per quelle soggette a cicli di temperatura e a flessioni della scheda.

MLCC impilabili per una maggiore capacità

I condensatori ceramici KONNEKT, tra cui C1812C145J5JLC7805, C1812C944J5JLC7800 e C1812C944J5JLC7805, sono realizzati impilando verticalmente o orizzontalmente da due a quattro dispositivi mantenendone l'integrità. Il condensatore ceramico C1812C944J5JLC7800 offre una capacità di 0,94 µF con due dispositivi impilati; C1812C145J5JLC7805 porta il valore a 1,4 µF con tre dispositivi impilati.

Questi MLCC utilizzano il materiale di sinterizzazione in presenza di fasi liquide transitorie (TLPS) per saldare le terminazioni dei componenti e creare così una soluzione multichip senza piombo. La soluzione multichip senza piombo rende il condensatore compatibile con i processi di rifusione esistenti. In sostituzione della lega per saldatura, viene utilizzato il TLPS, un legante composito a matrice metallica in rame-stagno. Forma un legame metallurgico tra due superfici, in questo caso gli strati di U2J.

Il fatto che i condensatori possano essere integrati in entrambi gli orientamenti riduce al minimo l'ingombro e massimizza la capacità a effetto di massa di un dispositivo MLCC impilato (Figura 5), consentendo ai condensatori ceramici KONNEKT di raggiungere il campo di capacità precedentemente possibile solo con materiali dielettrici di Classe II come X5R e X7R.

Immagine di MLCC impilati per aumentare la capacitàFigura 5: Gli MLCC possono essere impilati per aumentare la capacità e posizionati con un orientamento a bassa perdita per diminuire ESR ed ESL. (Immagine per gentile concessione di KEMET)

In un orientamento a bassa perdita, l'energia elettrica convertita in calore è inferiore, il che a sua volta migliora l'efficienza energetica e le capacità di gestione della potenza di un condensatore. L'orientamento a bassa perdita riduce inoltre sia la ESR che la ESL e quindi aumenta la capacità di un condensatore ceramico di gestire le correnti di ripple.

L'uso del materiale TLPS, combinato con un dielettrico ultra stabile, permette ai condensatori ceramici di gestire correnti di ripple estremamente elevate nell'intervallo di centinaia di kilohertz. Ad esempio, con il condensatore KONNEKT C1812C145J5JLC7805 U2J 1,4 μF, la ESL è di 1,6 nH se montato con orientamento standard, ma si riduce a 0,4 nH con orientamento a bassa perdita. Con un orientamento a bassa perdita, anche la ESR viene ridotta da 1,3 mΩ a 0,35 mΩ, diminuendo le perdite del sistema e limitando l'innalzamento della temperatura.

I condensatori a montaggio superficiale KONNEKT U2J di KEMET presentano una variazione di capacità limitata a -750 ±120 ppm/°C in un intervallo di temperatura da -55 °C a +125 °C. Il condensatore ceramico U2J offre dunque uno spostamento trascurabile della capacità rispetto alla tensione c.c. e una variazione lineare prevedibile della capacità rispetto alla temperatura ambiente.

Condensatori ceramici su linea in c.a.

I condensatori ceramici precedenti stabilizzano e livellano la tensione e la corrente sui rail c.c. impedendo i picchi di disaccoppiamento causati dalla commutazione rapida. Tuttavia, i condensatori ceramici sono utilizzati anche nel filtraggio delle linee in c.a. nei convertitori c.a./c.c. e nei circuiti di correzione del fattore di potenza (PFC).

In questo caso, è importante notare che i condensatori ceramici per linee in c.a sono disponibili sia in formato di sicurezza che non di sicurezza. Mentre i condensatori di sicurezza sopprimono i disturbi elettrici e proteggono i progetti da sovratensioni e transitori, livelli di capacità/tensione (CV) più elevati non sono disponibili in questi MLCC certificati per la sicurezza.

I condensatori ceramici per c.a. non certificati per la sicurezza, disponibili in varie dimensioni e valori CV, possono essere utilizzati per l'uso continuo nelle condizioni presenti su linea in c.a. I condensatori ceramici della serie CAN di KEMET sono qualificati per le condizioni di linea in c.a. di 250 Vc.a. a frequenze di 50/60 Hz e per altre applicazioni non di sicurezza.

Immagine dei condensatori per linea in c.a. della serie CAN di KEMETFigura 6: I condensatori per linee in c.a. della serie CAN offrono bassa corrente di dispersione e bassa ESR a frequenze più elevate. (Immagine per gentile concessione di KEMET)

I condensatori per linee in c.a. offrono bassa corrente di dispersione e bassa ESR alle alte frequenze (Figura 6). Sono destinati sia ad applicazioni da linea a linea (Classe X) che da linea a terra (Classe Y) e soddisfano i criteri di impulso delineati nella norma IEC 60384.

I condensatori ceramici della serie CAN sono disponibili sia con dielettrico X7R che C0G. Il dielettrico C0G, come mostrato nel caso dei condensatori DC-Link, non mostra alcuna variazione di capacità rispetto al tempo e alla tensione, e rispetto alla temperatura ambiente la variazione è trascurabile. D'altra parte, nei condensatori ceramici come CAN12X153KARAC7800 e CAN12X223KARAC7800, il dielettrico X7R mostra una variazione della capacità prevedibile sia rispetto al tempo che alla tensione, mentre quella influenzata dalla temperatura ambiente è minima.

Il condensatore ceramico CAN12X153KARAC7800 offre un valore di capacità di 0,015 µF, a fronte di 0,022 µF del dispositivo CAN12X223KARAC7800. Entrambi questi MLCC garantiscono una tolleranza del 10%.

Conclusione

Poiché i sistemi di erogazione dell'energia sono sempre più compatti e riescono a comprimere più potenza in fattori di forma più piccoli, gli MLCC stanno assumendo un ruolo cruciale in progetti che vanno dagli alimentatori per server ai caricabatterie wireless fino agli inverter di potenza. Livellano la tensione sia c.c. che c.a., stabilizzano i ripple di corrente e assicurano gestione termica nei progetti di alimentazione che cercano di migliorare l'efficienza della conversione. Come illustrato in questo articolo, la scelta dei dielettrici di Classe I e Classe II fornisce agli MLCC un valido metodo per adattare la capacità e altri parametri critici come ESR ed ESL in base alle specifiche esigenze applicative.

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Informazioni su questo autore

Majeed Ahmad

Majeed Ahmad è un ingegnere elettronico con un'esperienza ultraventennale nel settore della tecnologia multimediale B2B. È stato caporedattore di EE Times Asia, una pubblicazione affiliata di EE Times.

Majeed è autore di sei libri sull'elettronica. I suoi contributi appaiono spesso in pubblicazioni specializzate di progettazione elettronica, tra cui All About Circuits, Electronic Products ed Embedded Computing Design.

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