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COG材质的MLCC在EV插电式充电系统中的应用

技术支持

COG材质的MLCC在EV插电式充电系统中的应用

分类:
解决方案
作者:
来源:
发布时间:
2017/12/28

解决指南1

Vol.1 C0G特性及高耐压MLCC的特点与替换解决方案

Vol.1 C0G特性及高耐压MLCC的特点与替换解决方案 概要

 

电子设备中拥有各类电容器,并分别发挥着其各自的特性。一般情况下,电容器的电容量与耐电压(而定电压)无法兼顾,且属于此消彼长的关系,在相同尺寸下,耐电压提高,则电容量会出现下降趋势。
薄膜电容器拥有高耐电压,且具备恰到好处的电容量,同时,由于频率特性及温度特性优异,因此多用于车载电子设备、产业设备及家电设备等产品中。
但近年来,用于温度补偿(种类1)的MLCC(积层贴片陶瓷片式电容器)中,耐电压与电容量也出现了明显扩大,尤其在谐振电路等用途中,以往一般使用薄膜电容器的领域中也逐渐被MLCC所取代。
TDK开发的C0G特性·高耐压MLCC是一款在行业最高等级的广电容量范围(1nF~33nF)内实现了1000V耐电压的产品。
以下将通过C0G特性·高耐压MLCC的特点与薄膜电容器进行比较,并就各种替换的优点进行说明。

主要电容器特性

 

通过电介质陶瓷材料的不同,MLCC大致可分为种类1(温度补偿用)与种类2(高介电常数类)。
种类2的MLCC拥有大容量特点,但也存在因温度的变化导致电容量变化率大的缺点。另一方面,种类1的MLCC虽然无法达到高介电常数类产品的大容量,但由于温度变化导致的电容量变化率较小,且由于频率特性优异,因此被用于对精度要求较高的电路等。

铝电解电容器、薄膜电容器、MLCC(种类1及种类2)等主要电容器的额定电压-电容量应对范围如图1所示。

图1:各类电容器的额定电压-电容量的应对范围

图1 各类电容器的额定电压-电容量的应对范围

在电容量较大的产品中,种类2的MLCC达到了电容量为100μF以上的铝电解电容器所能达到的容值。此外,种类1的MLCC以往只与少部分薄膜电容器的容值范围相重叠,但近年来,随着高耐压化与大容量化的发展,重叠的范围迅速扩大。
薄膜电容器以及MLCC的特性比较如表1所示。

表1:主要电容器特性比较

  薄膜
电容器
MLCC
(种类1)
MLCC
(种类2)
高容量
耐电压
温度特性
频率特性
ESL特性
DC 偏压特性
耐湿性
寿命及可靠性
小型化

:优秀 :良好 :一般

铝电解电容器的特点在于大容量,而其他特性方面,薄膜电容器以及MLCC更为优异。此外,比较薄膜电容器以及种类1的MLCC可发现,薄膜电容器在小型化方面存在难点,而种类1的MLCC则在大容量化以及提高耐电压方面存在课题。

种类2的MLCC的电容量随着温度的变化也会产生大幅变化,而种类1的MLCC基本上保持着直线变化。该直线对于温度的倾斜度称为温度系数,单位为[ppm/°C]。
JIS标准及EIA标准对温度系数值及其允许差进行了分级。在EIA标准内最为严格的C0G特性MLCC(种类1)中,在-55~+125°C的温度范围内,温度系数规定为0ppm/°C,允许差规定为±30ppm/°C。
薄膜电容器与MLCC的温度特性(温度变化导致电容量变化)如图2所示。

图2:C0G特性MLCC与各类电容器温度特性(温度变化导致电容量变化)的比较

图2  C0G特性MLCC与各类电容器温度特性(温度变化导致电容量变化)的比较

从图表中可以看出,相比X7R特性MLCC(种类2)、U2J特性MLCC(种类1)以及各类薄膜电容器,C0G特性MLCC拥有极为稳定的温度特性。

在谐振电路中使用C0G特性MLCC的理由

 

将电容器的电容量设为C,线圈电感设为L,则电容器与线圈(电感器)相互组合的LC谐振电路的谐振频率(f)可以用公式f=1/2π√LC表示。从该公式中可以看出,谐振电容器的电容量变动将会引起谐振频率的变动。若谐振频率一致发生变化,则应传递的波形将会发生扭曲,从而导致能源传输效率降低。
为此,以往在高电压,且有大电流流经的车载电子设备等谐振电路用途中,会使用相对于温度变化较为稳定的薄膜电容器。
同时,如上述公式所示,谐振频率越低,则需要电容量越大的电容器。车载电子设备谐振电路中的谐振频率设置在数10kHz~数100kHz,因此耐电压及电容量都很高的薄膜电容器较为适用。
然而,如前所述,由于近年来,种类1的MLCC耐电压与电容量的发展迅猛,将薄膜电容器替换为C0G特性MLCC的生产商不断增加。这是因为MLCC相比薄膜电容器体型更小,通过高精度的共振来提高传送效率,实现节省空间的特点。

解决指南2

電解コンデンサからMLCCへの置き換えガイド

Vol.2 在EV无线充电系统中的应用 概要

 

随着材料技术与积层技术的不断精进,在进一步实现MLCC(积层贴片陶瓷片式电容器)小型化及大容量化的趋势中,近年来,温度补偿用(种类1)MLCC的耐电压与电容量的扩大也得到了显著发展。
由TDK开发的C0G特性·高耐压MLCC是一款通过C0G特性,在行业最高等级的广电容量范围(1nF~33nF)内实现了1000V耐电压的产品。在谐振电路等用途中,以往使用薄膜电容器的领域中也逐渐被MLCC所取代。
以下就将该C0G特性·高耐压MLCC的特点,以及在EV无线充电系统中替换薄膜电容器及其优点为中心进行说明。

替换为MLCC的事例:EV无线充电系统

 

无线充电在包括智能手机在内的各类移动设备中得到广泛普及。TDK的C0G特性MLCC具备尺寸小的特点,同时因其温度特性优异,作为移动设备的无线充电谐振用电容器得到广泛使用。而另一方面,TDK的EV(电动车)无线充电技术开发也在不断发展。
从环境问题与油耗角度来看,世界各国的大型汽车生产商正聚焦于环保汽车中最被重视的EV,并开发出了各种车型。而充电设备等基础设施的完善以及续航距离的延长正是EV得到普及所不可或缺的一项因素。充电基础设施方面,虽然在高速公路的服务区/停车区、机场、购物广场等停车场等场所增加设置了充电桩,但今后作为充电基础设施而颇受期待的则是可进行无线非接触式充电的无线充电系统。同时,无线充电在自动驾驶实用化阶段中是不可或缺的一项技术。
TDK在开发为移动设备内置电池充电的电磁感应式无线充电方式的同时,还走在近年来颇受关注的磁共振式无线充电技术开发的前列,并且至今为止在自动导引运输车(AGV)及电梯等产业设备领域中满足着客户的使用需求。此处介绍的EV无线充电也是采用了TDK磁性体技术及介电质技术等的先进磁共振式系统。

磁共振式无线充电的原理以及特点

 

得到广泛运用的电磁感应式无线充电系统与切断变压器铁芯,并设置空隙的结构相同。该方式的优点在于成本低,但当输电/受电线圈间隔增大时,传输效率会大幅降低。随着线圈距离的增加,部分磁通会变为漏磁通,从而会使线圈间的磁耦合减弱。而该磁耦合程度则以耦合系数(k)表示。耦合系数是在0≦k≦1范围内的值,在没有漏磁通的理想情况下为1,线圈间隔越大,或线圈偏离中心位置越远,则漏磁通会越多,从而导致耦合系数下降,最终将会变为0。而磁共振式无线充电则是为克服该难点而诞生的全新方式。
磁共振式是在输电侧与受电侧分别插入电容器,形成LC谐振电路,并使输电侧与受电侧谐振频率一致,从而进行电力传输的方式。其特点在于即使线圈间的距离多少会出现扩大,或偏离中心位置的情况等在耦合系数较低的状态下也能实现高传输效率。其基本原理如图1所示。

图1:磁共振式无线充电的基本原理

图1 磁共振式无线充电的基本原理

在通过磁共振无线充电的EV充电系统中,高电力用谐振电容器是其重要元件之一。这是因为在短时间内通过无线方式高效供应大电力,要求在高耐电压状态下保持高精度的谐振电路。
而薄膜电容器则是能够满足这一要求的强有力产品。但为了延长续航距离及确保车内空间,EV要求实现进一步小型及轻量化,在此之中,替换为能够实现节约电路空间的C0G特性MLCC则能够带来巨大优势。以往几乎没有在C0G特性下实现1000V耐电压的产品,但通过TDK新开发的C0G特性·高耐压MLCC则可有效进行替换。

解决指南3

将薄膜电容器替换为MLCC(积层贴片陶瓷片式电容器)的指南

Vol.3 在EV插电式充电系统中的应用 概要

随着MLCC(积层贴片陶瓷片式电容器)的大容量化以及高耐压化发展,以往主要使用薄膜电容器的领域中也逐渐被MLCC所取代。尤其是具有优异温度特性的温度补偿用(种类1)C0G特性的MLCC,在要求高精度及高可靠性的用途中,除了能够大幅节约空间,还可带来众多替换优点。
C0G特性的标准极为严格,在-55~+125°C的温度范围内,温度系数为0ppm/°C,允许差为±30ppm/°C。TDK的C0G特性·高耐压MLCC是一款通过C0G特性,在行业最高等级的广电容量范围(1nF~33nF)内实现了1000V耐电压的产品。在解决方案指南“将薄膜电容器替换为MLCC的指南 Vol.2”中虽然对EV的无线充电系统进行了说明,但在当前,带动EV得到普及的则是通过家庭用AC电源为EV(BEV/PHV)的驱动用电池进行充电的插电方式。
以下就将插电充电系统的车载充电器(OBC:板载充电器)中的薄膜电容器替换为MLCC,以及相关优点为中心进行说明。

插电式充电需要车载充电器

HEV与EV(BEV)的不同点如图1所示。

图1:HEV与EV(BEV)的比较

图1:HEV与EV(BEV)的比较

最大的不同点在于,HEV是通过并用燃料式发动机与电马达行驶,而EV仅依靠电马达行驶。为此,对于EV而言,从外部电源为驱动用电池充电的系统变得不可或缺。
电池容量越大,续航距离则越长。为此,EV的电池尺寸存在增大的趋势。同时,为了缩短充电时间,电池电压存在升高的趋势

《EV(BEV)的特点》

  • 电池尺寸比HEV大,且为了延长续航距离,存在着不断增大的趋势。
  • HEV的电池电压大约为150~300V,而EV则达到了大约400~600V以上,属于高电压。
  • 通过商用交流进行充电时,需要使用车载充电器。
  • 需要对数kW的大电力进行处理的BMS(电池管理系统)。
车载充电器的基本结构与作用

EV的插电充电系统分为快速充电与普通充电2种。安装于高速公路的服务区/停车区及大型商业设施等的充电桩属于快速充电。由于使用从高压受电设备输送的三相交流,因此具有充电时间短的优点,但由于需要专用充电基础设施,较为花费成本。
普通充电是使用商用交流的方式,通过家庭室外插座等,利用电缆连接EV进行充电。与快速充电相比时间较长,但其拥有无需特意前往装有充电桩的场所,在家里随时可进行充电,且费用较低的特点。但插电充电方式中,无法直接以交流方式对电池进行充电,因此需要使用车载充电器转换为直流。车载充电器的基本结构如图2所示。

图2:车载充电器(OBC:板载充电器)的基本结构

图2:车载充电器(OBC:板载充电器)的基本结构

在车载充电器中,商用交流首先通过AC区域进行整流、平滑化,之后通过PFC(改善功率因数及抑制谐波电路)区域被送往DC-DC转换器。DC-DC转换器将输入电压转换为合适的输出电压,并发挥着对驱动用电池进行充电的作用。
与普通电子设备中搭载的DC-DC转换器不同,车载充电器的DC-DC转换器在高电压下使用,同时,为了延长续航距离,其要求具备高转换效率。为此,采用LLC谐振型DC-DC转换器(以下称为LLC转换器)的生产商不断增加。

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