Integrowanie kondensatorów przeciwzakłóceniowych lub części pojemności szyny zasilającej DC (DC-link) w module mocy falowników stało się wyraźnym trendem. Działania takie mają na celu poprawę ogólnej wydajności falownika, przy jednoczesnym obniżeniu kosztów systemu. Moduły mocy pracują jednak w trudnych warunkach, można więc rozważać stosowanie w nich wyłącznie kondensatorów ceramicznych. Przykładem takich elementów są wysokonapięciowe kondensatory ceramiczne CeraLink firmy TDK. Zostały one zaprojektowane specjalnie do zastosowań w elektronice mocy. Zapewniają znaczące korzyści w porównaniu ze standardowymi wielowarstwowymi kondensatorami ceramicznymi (MLCC), zwłaszcza w przypadku zastosowań w modułach mocy z szybkim przełączaniem, wykorzystujących elementy z węglika krzemu (SiC) lub azotka galu (GaN).

Źródło: TDK

Falownik mocy jest kluczowym elementem pojazdów elektrycznych (xEV). Jego zadaniem jest przekształcenie prądu stałego z akumulatora samochodowego na prąd zmienny napędzający silnik. Użytkownicy pojazdów oczekują od falowników wysokiej wydajności i niezawodności zapewniających maksymalizację zasięgu, wysokich osiągów i żywotności pojazdu. Poprawę wydajności i skrócenie czasu ładowania w pojazdach xEV uzyskuje się przez stosowanie wysokonapięciowych systemów zasilania (zazwyczaj około 800 do 900 V). Falownik musi być w stanie bezpiecznie i niezawodnie je obsługiwać. Mniejsze straty i wyższą wydajność można osiągnąć dzięki zastosowaniu zaawansowanych półprzewodników mocy, takich jak tranzystory z węglika krzemu (SiC) lub azotku galu (GaN). Konieczne są jednak skuteczne rozwiązania chłodzące, pozwalające zarządzać ciepłem wytwarzanym podczas pracy z powodu strat. W zoptymalizowaniu wydajności cieplnej i zmniejszeniu ogólnych rozmiarów i masy falownika pozwalają innowacyjne konstrukcje, takie jak dwustronne struktury chłodzące. Odrywają one dużą rolę w poprawie zasięgu i prowadzenia pojazdu. Oprócz wydajności i osiągów ważny jest również koszt rozwiązania. Opracowanie i produkcja wysokowydajnych falowników mocy są kosztowne. Jednym z głównych czynników wpływających na koszt modułu mocy są chipy SiC. W związku z tym, każda możliwość bardziej wydajnej eksploatacji tych komponentów lub zmniejszenia liczby wymaganych chipów może przynieść znaczne oszczędności kosztów.

Rys. 1a. Schemat standardowej topologii falownika z zasilaniem wysokiego napięcia (np. akumulator), modułem falownika i konwencjonalnym rozwiązaniem kondensatora szyny DC

Rys. 1b. Schemat standardowej topologii falownika z zasilaniem wysokiego napięcia (np. akumulator), modułem falownika i rozproszonym kondensatorem szyny DC, w którym część pojemności została przeniesiona w pobliże modułu mocy

Rys. 1c. Schemat standardowej topologii falownika z zasilaniem wysokiego napięcia (np. akumulator), modułem falownika i zintegrowanym kondensatorem blokującym w module mocy.

Nowoczesne falowniki mocy dla pojazdów xEV wymagają zazwyczaj bardzo dużych pojemności szyny DC. Zależy ona od topologii falownika, i może być rzędu kilkuset mikrofaradów. Najczęściej stosowane są do tego np. metalizowane kondensatory foliowe z polipropylenu (rys. 1a). Takie kondensatory foliowe są jednak nieporęczne i często nie można ich umieścić w pożądanym miejscu w pobliżu tranzystorów przełączających. W związku z tym między kondensatorem szyny DC a tranzystorami MOSFET SiC występuje znaczna indukcyjność pasożytnicza. W połączeniu z ostrymi zboczami przełączania (wysokie di/dt) może to prowadzić do poważnych przekroczeń napięcia, nawet w przypadku dobrze zaprojektowanej szyny zbiorczej. Przekroczenia te nie tylko stanowią zagrożenie dla tranzystorów kluczujących, ale także pogarszają ogólną kompatybilność elektromagnetyczną systemu, potencjalnie wymagając zastosowania większych i droższych filtrów.

Systemy hybrydowe, jak pokazano na rys. 1b i 1c, wykorzystują możliwość podziału pojemności DC-Link poprzez przeniesienie mniejszej części pojemności z głównej szyny DC jak najbliżej (lub nawet wewnątrz) modułu mocy. Ta mała część pojemności jest zwykle realizowana przez kompaktowe kondensatory o niskiej indukcyjności, np. kondensatory ceramiczne.

Ponieważ znajdują się one fizycznie blisko elementów przełączających, mogą pomóc w tłumieniu przepięć, które mogłyby potencjalnie uszkodzić przełączniki. Powszechnie kondensatory te nazywane są przeciwzakłóceniowymi lub odprzęgającymi. Magazynują one nadmiar energii z indukcyjności pasożytniczej, gdy tranzystor jest wyłączony. To samo dotyczy włączenia, kiedy pojemności pasożytnicze tranzystora muszą być natychmiast naładowane. Jeśli kondensator ceramiczny zostanie umieszczony tuż przy tranzystorze przełączającym równolegle do kondensatora szyny DC, może być źródłem prądu ładowania. W przeciwnym razie prąd ten musi być pobierany z kondensatora szyny DC o wyższej indukcyjności pasożytniczej, ponieważ znajduje się dalej od tranzystora przełączającego.

W takich systemach hybrydowych indukcyjności pasożytnicze (np. szyna zbiorcza i łącznik prądu stałego) w połączeniu z pojemnością kondensatora przeciwzakłóceniowego mogą prowadzić do niepożądanych rezonansów, które są zwykle określane jako efekt antyrezonansowy. Efekt ten może prowadzić do przepływu dużych prądów reaktywnych, znacznie przekraczających rzeczywisty prąd kondensatora przeciwzakłóceniowego. Powoduje to nieoczekiwane nagrzewanie się takiego kondensatora i spadek wydajności. Problem ten staje się poważniejszy, jeśli częstotliwość antyrezonansowa jest zbliżona do częstotliwości przełączania lub jakichkolwiek istotnych harmonicznych. W przypadku nieoptymalnej konstrukcji częstotliwość antyrezonansowa może z łatwością mieścić się w zakresie od 200 kHz do 400 kHz. Taki zakres może już pokrywać się z harmonicznymi typowych częstotliwości przełączania, prowadząc do poważnych drgań. Aby złagodzić ten efekt, antyrezonans należy przesunąć w kierunku wyższych częstotliwości. Można to osiągnąć poprzez zminimalizowanie indukcyjności szyny zbiorczej (np. poprzez zadbanie o to, by była jak najkrótsza) i zmniejszenie pojemności kondensatora przeciwzakłóceniowego do najniższej dopuszczalnej wartości. Ponadto mogą być wymagane elementy tłumiące, najlepiej o zależności częstotliwościowej (np. poprzez wykorzystanie efektu naskórkowego). Więcej szczegółów można znaleźć w [1].

Rys. 2. Wpływ indukcyjności pętli na przepięcia w półprzewodniku. Im większa indukcyjność pętli wywołana odległością kondensatora od przełączników, tym większe przeregulowania napięcia i odwrotnie. Dzięki temperaturze znamionowej +150°C, CeraLink może być umieszczony bardzo blisko półprzewodników, co pozwala zminimalizować indukcyjność pętli.

Kolejnym logicznym krokiem jest zintegrowanie kondensatora tłumiącego bezpośrednio z modułem zasilającym, jak pokazano na rysunku 1c. W tym przypadku kondensatory przeciwzakłóceniowe mogą być umieszczone jak najbliżej elementów przełączających, co znacznie minimalizuje całkowitą indukcyjność pętli, jak pokazano na rysunku 2. Dzięki temu działają one bardzo skutecznie, filtrując wszelkie skoki napięcia, a ponieważ indukowane przekroczenie napięcia jest proporcjonalne do indukcyjności pasożytniczej, ostatecznie może być potrzebna mniejsza pojemność.

Jednak oprócz licznych zalet, integracja kondensatorów z modułem zasilającym wiąże się również z kilkoma wyzwaniami. Wymagania dotyczące gęstości energii, prądu znamionowego, temperatury znamionowej i kompaktowości mogą spełnić tylko wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (MLCC). Jednak w zależności od zastosowanego materiału ceramicznego dostępne są różne klasy MLCC, z których każda ma swoje wady i zalety. Poniżej rozważamy trzy różne materiały, a mianowicie dobrze znane dielektryki klasy I i klasy II, ale także dielektryk antyferroelektryczny, który jest stosowany w CeraLink firmy TDK i został specjalnie zaprojektowany z myślą o przyszłych zastosowaniach w elektronice mocy.

Efekt polaryzacji DC, prąd znamionowy i temperatura znamionowa

Pojemność kondensatorów MLCC klasy II (np. klasa temperaturowa X7R) zmniejsza się wraz ze wzrostem napięcia stałego — jest to tzw. efekt polaryzacji DC przedstawiony na rysunku 3a. Przykładowy kondensator MLCC z dielektrykiem klasy II (X7R), który ma napięcie znamionowe 630 V i pojemność nominalną 1 µF, zapewnia tylko ułamek tej wartości przy napięciu roboczym 400 V. Z powodu efektu polaryzacji DC pojemność spada o prawie 80% wartości nominalnej. Ponadto pojemność zmniejsza się również wraz z temperaturą, jak pokazano na rysunku 3b. Chociaż efekt ten jest zazwyczaj mniej dominujący w porównaniu z efektem polaryzacji DC, szczególnie przy podwyższonych napięciach polaryzacji DC. Niemniej jednak, gdy uwzględni się zarówno efekt polaryzacji DC, jak i efekt temperatury, 1 µF zamienia się w tylko około 0,2 µF w punkcie roboczym. Fakt ten ma kluczowe znaczenie dla wielu projektów, ponieważ pojemność w aplikacji różni się wówczas znacznie od oczekiwanej wartości.

Rys. 3. Charakterystyka pojemności w funkcji: a) napięcia polaryzacji prądu stałego b) temperatury dla kondensatorów MLCC z dielektrykiem klasy I (C0G) i klasy II (X7R i X7T) w porównaniu z kondensatorem CeraLink

Kolejną wadą kondensatorów MLCC z dielektrykiem klasy II jest ich ograniczona zdolność przewodzenia prądu oraz tendencja do przegrzewania się w przypadku połączenia kilku kondensatorów równolegle, tzn. najgorętszy kondensator w układzie kondensatorów ma tendencję do jeszcze większego nagrzewania się, co powoduje niestabilność termiczną i/lub elektryczną systemu.

Wreszcie, kondensatory MLCC z dielektrykiem klasy II mają ograniczenie dotyczące maksymalnej temperatury urządzenia wynoszącej +125°C. Może to stanowić granicę dla niektórych zastosowań modułów mocy, ponieważ temperatura złącza SiC-MOSFET może łatwo wzrosnąć do +175°C. Praca w warunkach już bliskich górnej granicy temperatury znamionowej (np. +125°C) może mieć istotny wpływ na żywotność kondensatora. To samo dotyczy kondensatorów o temperaturze znamionowej +150 °C, ale eksploatowanych w temperaturze +125°C. Zasadniczo żywotność podwaja się wraz z każdym spadkiem temperatury o 10 K. Ponadto trudne warunki przetwarzania podczas montażu modułów (np. wysokie temperatury podczas lutowania rozpływowego) mogą być przeszkodą dla niektórych kondensatorów standardowych.

Z drugiej strony pojemność kondensatorów MLCC z dielektrykiem klasy I (np. klasa temperaturowa C0G) nie zależy w znacznym stopniu od polaryzacji DC ani od temperatury. Ponadto mogą one z łatwością wytrzymać wysokie temperatury otoczenia, a także wysokie prądy robocze. Jednak ich gęstość pojemności jest zazwyczaj niska, co wymaga użycia kilku elementów, aby uzyskać znaczną pojemność. Zajmuje to znaczną część powierzchni płytki drukowanej i może prowadzić do problemów z miejscem, a także zwiększać całkowitą indukcyjność pętli. Takie rozwiązanie jest sprzeczne z pierwotną ideą stosowania obwodu o niskiej indukcyjności.

Dlaczego CeraLink jest inny?

W przeciwieństwie do kondensatorów MLCC z dielektrykiem klasy I lub II, kondensatory CeraLink są oparte na ceramice z tytanianu lantanowo-cyrkonowo-ołowiowego (PLZT), która zapewnia wzrost pojemności wraz z napięciem polaryzacji DC, jak pokazano na rysunku 3a. Ponadto pojemność wzrasta wraz z temperaturą do pewnej maksymalnej wartości, a następnie maleje (rysunek 4). Skutecznie eliminuje to ryzyko przegrzania.

Rys. 4. Charakterystyka pojemności CeraLink w zależności od temperatury i różnych napięć polaryzacji DC. Charakterystyka ta zapobiega przegrzaniu, które może wystąpić w kondensatorach MLCC z dielektrykiem klasy II.

Rys. 5. Charakterystyka ESR CeraLink w zależności od częstotliwości. Dzięki niej CeraLink może obsługiwać wyższe prądy tętnienia w wyższych temperaturach.

Należy jeszcze mieć na uwadze to, że CeraLink działa bardzo wydajnie w podwyższonych temperaturach bez konieczności dodatkowego chłodzenia. Jest to możliwe przede wszystkim dzięki spadkowi ESR wraz z częstotliwością i temperaturą (rys. 5 i 6), co pozwala na dostarczanie znacznie wyższych prądów podczas eksploatacji w gorącym środowisku, takim jak moduły zasilające. Po drugie, maksymalna temperatura znamionowa CeraLink wynosząca +150°C pozwala na umieszczenie go bardzo blisko półprzewodników, co pomaga zmniejszyć wpływ indukcyjności pasożytniczej (rys. 2). Eliminuje to potrzebę stosowania dodatkowego zarządzania temperaturą, obniżając tym samym koszty systemu oraz zmniejszając zarówno jego rozmiar, jak i wagę. Wszystkie te cechy sprawiają, że CeraLink doskonale nadaje się do zastosowań w szybkich przełącznikach elektronicznych wykorzystujących technologię szerokiej przerwy energetycznej.

Rys. 6. Charakterystyka ESR CeraLink w zależności od temperatury i różnych napięć polaryzacji prądu stałego. Wynika z nich, że CeraLink ma lepszą wydajność w wysokich temperaturach.

Przewaga kosztowa systemu

Aby ułatwić porównanie, skupimy się na popularnych, standardowych rozmiarach obudów MLCC, takich jak EIA 2220 z certyfikatem AEC-Q200 (motoryzacyjnym). Ponadto bierzemy pod uwagę wyłącznie MLCC bez stosu, czyli MLCC bez ramek wyprowadzeniowych. Zazwyczaj w zastosowaniach związanych z modułami mocy do samochodów wymagana jest większa pojemność w zakresie od kilkuset nanofaradów do kilku mikrofaradów. CeraLink może spełnić to wymaganie dzięki seriom LP (Low Profile) i FA (Flex-Assembly).

Tab. 1. Porównanie rozwiązań CeraLink i MLCC w zastosowaniach tłumiących o wymogu 50 nF przy napięciu 800 V. Ceny pobrano ze strony internetowej Mouser 15 stycznia 2025 r.

Aby zilustrować przewagę CeraLink nad kondensatorami MLCC z dielektrykiem klasy II, rozważmy zastosowanie kondensatora przeciwzakłóceniowego wymagającego około 50 nF przy napięciu 800 V. Analiza porównawcza między CeraLink B58043E9563M052 (56 nF/900 V) a kondensatorami MLCC (porównano dwa kondensatory na napięcie 1000 V) różnych producentów wykazuje znaczące różnice (tab. 1). Ze względu na efekt polaryzacji DC kondensatory MLCC osiągają jedynie 12,6 nF, odpowiednio 25,9 nF przy napięciu roboczym 800 V, co wymaga zastosowania trzech do czterech równoległych elementów, podczas gdy wystarczy jeden element CeraLink 2220.

Chociaż cena za 1000 sztuk CeraLink oferowana przez dużych dystrybutorów internetowych jest około dwa razy wyższa niż w przypadku większości kondensatorów MLCC, rozwiązanie z kondensatorami CeraLink jest w konkretnym zastosowaniu bardziej opłacalne. Przewaga kosztowa staje się jeszcze większa, gdy doda się koszty powierzchni PCB i montażu. Podsumowując, CeraLink może zapewnić oszczędność nawet do 60% kosztów w oparciu o podany przykład. Należy również zauważyć, że oszczędności mogą być jeszcze większe, jeśli weźmie się pod uwagę korzyści wynikające z mniejszej indukcyjności całkowitej obwodu, która pozwala na szybsze i mocniejsze przełączanie (np. koncepcja chłodzenia, mniejsze zakłócenia elektromagnetyczne i tańsze filtry).

Wnioski

W przeciwieństwie do konwencjonalnych kondensatorów MLCC z dielektrykiem klasy II, pojemność kondensatorów CeraLink wzrasta wraz z napięciem polaryzacji DC i temperaturą aż do ostatecznego punktu pracy. Cecha ta sprawia, że są one bardzo wszechstronne w różnych zastosowaniach energoelektronicznych. Doskonale tłumią szczyty napięcia, a dzięki niskiej indukcyjności szeregowej (ESL) idealnie nadają się do współpracy z szybko przełączającymi się półprzewodnikami o szerokiej przerwie energetycznej. Niska rezystancja szeregowa (ESR) przy wysokich częstotliwościach i temperaturach dodatkowo podkreśla ich zdolność do obsługi wysokich prądów tętnienia. Ponadto możliwość pracy w wysokich temperaturach pozwala na umieszczenie ich bardzo blisko przełączników dużej mocy, skutecznie tłumiąc skoki napięcia podczas szybkich przełączeń (tab. 2).

Tab. 2. Przegląd typowych specyfikacji kondensatorów CeraLink i MLCC.

Oprócz zalet funkcjonalnych kondensatory CeraLink mogą zwiększyć opłacalność poprzez zminimalizowanie lub nawet wyeliminowanie konieczności stosowania systemów zarządzania temperaturą lub filtrowania. Takie obniżenie kosztów systemu przyczynia się również do zmniejszenia rozmiarów i masy produktu końcowego. Kondensatory CeraLink są dostępne w różnych zakresach napięcia i pojemności, dostosowanych do różnych wymagań klientów.

Kolejne kroki w integracji modułów

Kolejnym krokiem ewolucyjnym w zakresie projektowania modułów mocy byłoby zastosowanie wielowarstwowych materiałów podłoża ceramicznego, takich jak azotek glinu (AlN). Ten nowy materiał podłoża firmy TDK zapewnia wiele korzyści architektonicznych i przenosi moduły mocy na wyższy poziom.

Wydajność modułów mocy jest zazwyczaj najwyższa, gdy pracują one blisko swoich limitów. Niestety skutkuje to wyższymi temperaturami roboczymi. Aby zapobiec przegrzaniu półprzewodników w modułach mocy musi być stosowana precyzyjna i dokładna kontrola temperatury. Firma TDK opracowała do takich zadań bezołowiowe i zgodne z dyrektywą RoHS termistory SMD NTC. Opisują one odpowiednie krzywe charakterystyki R/T istniejących technologii dostępnych na rynku, które nie są w pełni zgodne z dyrektywą RoHS.

______________________

Odniesienia

Źródło: TDK