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    COG材質的MLCC在EV插電式充電系統中的應用

    COG材質的MLCC在EV插電式充電系統中的應用

    • 分類:解決方案
    • 作者:
    • 來源:
    • 發布時間:2017-12-28 01:48
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    【概要描述】解決指南Vol.3在EV插電式充電系統中的應用概要隨著MLCC(積層貼片陶瓷片式電容器)的大容量化以及高耐壓化發展,以往主要使用薄膜電容器的領域中也逐漸被MLCC所取代。尤其是具有優異溫度特性的溫度補償用(種類1)C0G特性的MLCC,在要求高精度及高可靠性的用途中,除了能夠大幅節約空間,還可帶來眾多替換優點。C0G特性的標準極為嚴格,在-55~+125°C的溫度范圍內,溫度系數為0ppm/°C,

    COG材質的MLCC在EV插電式充電系統中的應用

    【概要描述】解決指南Vol.3在EV插電式充電系統中的應用概要隨著MLCC(積層貼片陶瓷片式電容器)的大容量化以及高耐壓化發展,以往主要使用薄膜電容器的領域中也逐漸被MLCC所取代。尤其是具有優異溫度特性的溫度補償用(種類1)C0G特性的MLCC,在要求高精度及高可靠性的用途中,除了能夠大幅節約空間,還可帶來眾多替換優點。C0G特性的標準極為嚴格,在-55~+125°C的溫度范圍內,溫度系數為0ppm/°C,

    • 分類:解決方案
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    • 發布時間:2017-12-28 01:48
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    詳情

    解決指南1

    Vol.1 C0G特性及高耐壓MLCC的特點與替換解決方案

    Vol.1 C0G特性及高耐壓MLCC的特點與替換解決方案 概要

     

    電子設備中擁有各類電容器,并分別發揮著其各自的特性。一般情況下,電容器的電容量與耐電壓(而定電壓)無法兼顧,且屬于此消彼長的關系,在相同尺寸下,耐電壓提高,則電容量會出現下降趨勢。
    薄膜電容器擁有高耐電壓,且具備恰到好處的電容量,同時,由于頻率特性及溫度特性優異,因此多用于車載電子設備、產業設備及家電設備等產品中。
    但近年來,用于溫度補償(種類1)的MLCC(積層貼片陶瓷片式電容器)中,耐電壓與電容量也出現了明顯擴大,尤其在諧振電路等用途中,以往一般使用薄膜電容器的領域中也逐漸被MLCC所取代。
    TDK開發的C0G特性·高耐壓MLCC是一款在行業最高等級的廣電容量范圍(1nF~33nF)內實現了1000V耐電壓的產品。
    以下將通過C0G特性·高耐壓MLCC的特點與薄膜電容器進行比較,并就各種替換的優點進行說明。

    主要電容器特性

     

    通過電介質陶瓷材料的不同,MLCC大致可分為種類1(溫度補償用)與種類2(高介電常數類)。
    種類2的MLCC擁有大容量特點,但也存在因溫度的變化導致電容量變化率大的缺點。另一方面,種類1的MLCC雖然無法達到高介電常數類產品的大容量,但由于溫度變化導致的電容量變化率較小,且由于頻率特性優異,因此被用于對精度要求較高的電路等。

    鋁電解電容器、薄膜電容器、MLCC(種類1及種類2)等主要電容器的額定電壓-電容量應對范圍如圖1所示。

    圖1:各類電容器的額定電壓-電容量的應對范圍

    圖1 各類電容器的額定電壓-電容量的應對范圍

    在電容量較大的產品中,種類2的MLCC達到了電容量為100μF以上的鋁電解電容器所能達到的容值。此外,種類1的MLCC以往只與少部分薄膜電容器的容值范圍相重疊,但近年來,隨著高耐壓化與大容量化的發展,重疊的范圍迅速擴大。
    薄膜電容器以及MLCC的特性比較如表1所示。

    表1:主要電容器特性比較

      薄膜
    電容器
    MLCC
    (種類1)
    MLCC
    (種類2)
    高容量
    耐電壓
    溫度特性
    頻率特性
    ESL特性
    DC 偏壓特性
    耐濕性
    壽命及可靠性
    小型化

    :優秀 :良好 :一般

    鋁電解電容器的特點在于大容量,而其他特性方面,薄膜電容器以及MLCC更為優異。此外,比較薄膜電容器以及種類1的MLCC可發現,薄膜電容器在小型化方面存在難點,而種類1的MLCC則在大容量化以及提高耐電壓方面存在課題。

    種類2的MLCC的電容量隨著溫度的變化也會產生大幅變化,而種類1的MLCC基本上保持著直線變化。該直線對于溫度的傾斜度稱為溫度系數,單位為[ppm/°C]。
    JIS標準及EIA標準對溫度系數值及其允許差進行了分級。在EIA標準內最為嚴格的C0G特性MLCC(種類1)中,在-55~+125°C的溫度范圍內,溫度系數規定為0ppm/°C,允許差規定為±30ppm/°C。
    薄膜電容器與MLCC的溫度特性(溫度變化導致電容量變化)如圖2所示。

    圖2:C0G特性MLCC與各類電容器溫度特性(溫度變化導致電容量變化)的比較

    圖2  C0G特性MLCC與各類電容器溫度特性(溫度變化導致電容量變化)的比較

    從圖表中可以看出,相比X7R特性MLCC(種類2)、U2J特性MLCC(種類1)以及各類薄膜電容器,C0G特性MLCC擁有極為穩定的溫度特性。

    在諧振電路中使用C0G特性MLCC的理由

     

    將電容器的電容量設為C,線圈電感設為L,則電容器與線圈(電感器)相互組合的LC諧振電路的諧振頻率(f)可以用公式f=1/2π√LC表示。從該公式中可以看出,諧振電容器的電容量變動將會引起諧振頻率的變動。若諧振頻率一致發生變化,則應傳遞的波形將會發生扭曲,從而導致能源傳輸效率降低。
    為此,以往在高電壓,且有大電流流經的車載電子設備等諧振電路用途中,會使用相對于溫度變化較為穩定的薄膜電容器。
    同時,如上述公式所示,諧振頻率越低,則需要電容量越大的電容器。車載電子設備諧振電路中的諧振頻率設置在數10kHz~數100kHz,因此耐電壓及電容量都很高的薄膜電容器較為適用。
    然而,如前所述,由于近年來,種類1的MLCC耐電壓與電容量的發展迅猛,將薄膜電容器替換為C0G特性MLCC的生產商不斷增加。這是因為MLCC相比薄膜電容器體型更小,通過高精度的共振來提高傳送效率,實現節省空間的特點。

    解決指南2

    電解コンデンサからMLCCへの置き換えガイド

    Vol.2 在EV無線充電系統中的應用 概要

     

    隨著材料技術與積層技術的不斷精進,在進一步實現MLCC(積層貼片陶瓷片式電容器)小型化及大容量化的趨勢中,近年來,溫度補償用(種類1)MLCC的耐電壓與電容量的擴大也得到了顯著發展。
    由TDK開發的C0G特性·高耐壓MLCC是一款通過C0G特性,在行業最高等級的廣電容量范圍(1nF~33nF)內實現了1000V耐電壓的產品。在諧振電路等用途中,以往使用薄膜電容器的領域中也逐漸被MLCC所取代。
    以下就將該C0G特性·高耐壓MLCC的特點,以及在EV無線充電系統中替換薄膜電容器及其優點為中心進行說明。

    替換為MLCC的事例:EV無線充電系統

     

    無線充電在包括智能手機在內的各類移動設備中得到廣泛普及。TDK的C0G特性MLCC具備尺寸小的特點,同時因其溫度特性優異,作為移動設備的無線充電諧振用電容器得到廣泛使用。而另一方面,TDK的EV(電動車)無線充電技術開發也在不斷發展。
    從環境問題與油耗角度來看,世界各國的大型汽車生產商正聚焦于環保汽車中最被重視的EV,并開發出了各種車型。而充電設備等基礎設施的完善以及續航距離的延長正是EV得到普及所不可或缺的一項因素。充電基礎設施方面,雖然在高速公路的服務區/停車區、機場、購物廣場等停車場等場所增加設置了充電樁,但今后作為充電基礎設施而頗受期待的則是可進行無線非接觸式充電的無線充電系統。同時,無線充電在自動駕駛實用化階段中是不可或缺的一項技術。
    TDK在開發為移動設備內置電池充電的電磁感應式無線充電方式的同時,還走在近年來頗受關注的磁共振式無線充電技術開發的前列,并且至今為止在自動導引運輸車(AGV)及電梯等產業設備領域中滿足著客戶的使用需求。此處介紹的EV無線充電也是采用了TDK磁性體技術及介電質技術等的先進磁共振式系統。

    磁共振式無線充電的原理以及特點

     

    得到廣泛運用的電磁感應式無線充電系統與切斷變壓器鐵芯,并設置空隙的結構相同。該方式的優點在于成本低,但當輸電/受電線圈間隔增大時,傳輸效率會大幅降低。隨著線圈距離的增加,部分磁通會變為漏磁通,從而會使線圈間的磁耦合減弱。而該磁耦合程度則以耦合系數(k)表示。耦合系數是在0≦k≦1范圍內的值,在沒有漏磁通的理想情況下為1,線圈間隔越大,或線圈偏離中心位置越遠,則漏磁通會越多,從而導致耦合系數下降,最終將會變為0。而磁共振式無線充電則是為克服該難點而誕生的全新方式。
    磁共振式是在輸電側與受電側分別插入電容器,形成LC諧振電路,并使輸電側與受電側諧振頻率一致,從而進行電力傳輸的方式。其特點在于即使線圈間的距離多少會出現擴大,或偏離中心位置的情況等在耦合系數較低的狀態下也能實現高傳輸效率。其基本原理如圖1所示。

    圖1:磁共振式無線充電的基本原理

    圖1 磁共振式無線充電的基本原理

    在通過磁共振無線充電的EV充電系統中,高電力用諧振電容器是其重要元件之一。這是因為在短時間內通過無線方式高效供應大電力,要求在高耐電壓狀態下保持高精度的諧振電路。
    而薄膜電容器則是能夠滿足這一要求的強有力產品。但為了延長續航距離及確保車內空間,EV要求實現進一步小型及輕量化,在此之中,替換為能夠實現節約電路空間的C0G特性MLCC則能夠帶來巨大優勢。以往幾乎沒有在C0G特性下實現1000V耐電壓的產品,但通過TDK新開發的C0G特性·高耐壓MLCC則可有效進行替換。

    解決指南3

    將薄膜電容器替換為MLCC(積層貼片陶瓷片式電容器)的指南

    Vol.3 在EV插電式充電系統中的應用 概要

    隨著MLCC(積層貼片陶瓷片式電容器)的大容量化以及高耐壓化發展,以往主要使用薄膜電容器的領域中也逐漸被MLCC所取代。尤其是具有優異溫度特性的溫度補償用(種類1)C0G特性的MLCC,在要求高精度及高可靠性的用途中,除了能夠大幅節約空間,還可帶來眾多替換優點。
    C0G特性的標準極為嚴格,在-55~+125°C的溫度范圍內,溫度系數為0ppm/°C,允許差為±30ppm/°C。TDK的C0G特性·高耐壓MLCC是一款通過C0G特性,在行業最高等級的廣電容量范圍(1nF~33nF)內實現了1000V耐電壓的產品。在解決方案指南“將薄膜電容器替換為MLCC的指南 Vol.2”中雖然對EV的無線充電系統進行了說明,但在當前,帶動EV得到普及的則是通過家庭用AC電源為EV(BEV/PHV)的驅動用電池進行充電的插電方式。
    以下就將插電充電系統的車載充電器(OBC:板載充電器)中的薄膜電容器替換為MLCC,以及相關優點為中心進行說明。

    插電式充電需要車載充電器

    HEV與EV(BEV)的不同點如圖1所示。

    圖1:HEV與EV(BEV)的比較

    圖1:HEV與EV(BEV)的比較

    最大的不同點在于,HEV是通過并用燃料式發動機與電馬達行駛,而EV僅依靠電馬達行駛。為此,對于EV而言,從外部電源為驅動用電池充電的系統變得不可或缺。
    電池容量越大,續航距離則越長。為此,EV的電池尺寸存在增大的趨勢。同時,為了縮短充電時間,電池電壓存在升高的趨勢

    《EV(BEV)的特點》

    • 電池尺寸比HEV大,且為了延長續航距離,存在著不斷增大的趨勢。
    • HEV的電池電壓大約為150~300V,而EV則達到了大約400~600V以上,屬于高電壓。
    • 通過商用交流進行充電時,需要使用車載充電器。
    • 需要對數kW的大電力進行處理的BMS(電池管理系統)。
    車載充電器的基本結構與作用

    EV的插電充電系統分為快速充電與普通充電2種。安裝于高速公路的服務區/停車區及大型商業設施等的充電樁屬于快速充電。由于使用從高壓受電設備輸送的三相交流,因此具有充電時間短的優點,但由于需要專用充電基礎設施,較為花費成本。
    普通充電是使用商用交流的方式,通過家庭室外插座等,利用電纜連接EV進行充電。與快速充電相比時間較長,但其擁有無需特意前往裝有充電樁的場所,在家里隨時可進行充電,且費用較低的特點。但插電充電方式中,無法直接以交流方式對電池進行充電,因此需要使用車載充電器轉換為直流。車載充電器的基本結構如圖2所示。

    圖2:車載充電器(OBC:板載充電器)的基本結構

    圖2:車載充電器(OBC:板載充電器)的基本結構

    在車載充電器中,商用交流首先通過AC區域進行整流、平滑化,之后通過PFC(改善功率因數及抑制諧波電路)區域被送往DC-DC轉換器。DC-DC轉換器將輸入電壓轉換為合適的輸出電壓,并發揮著對驅動用電池進行充電的作用。
    與普通電子設備中搭載的DC-DC轉換器不同,車載充電器的DC-DC轉換器在高電壓下使用,同時,為了延長續航距離,其要求具備高轉換效率。為此,采用LLC諧振型DC-DC轉換器(以下稱為LLC轉換器)的生產商不斷增加。

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