MLCCs‏ C0G מעניקים יתרונות תכן עבור מטענים מובנים

מפעילי רכבים חשמליים לא צריכים לדאוג לגבי יעילות הטעינה והיציבות התרמית - הם רק רוצים תחבורה אמינה ביותר עם הטווח בין טעינות הגדול ביותר ועם מינימום תחזוקה ותיקונים. היצרנים רוצים מטען מובנה (OBC) שיהיה קומפקטי ככל האפשר. גישור בין מטרותיהם של מפעילים ויצרנים הוא אתגר תכנוני שהושג יותר ויותר באמצעות שימוש בקבלים קרמיים רבי-שכבות (MLCC) בעלי מאפייני C0G.

C0G, המכונה גם NP0, הוא קבל קרמי דיאלקטרי Class 1 בעל קיבוליות יציבה ביותר: שינוי של כמעט אפס עם שגיאה מקסימלית מותרת של ppm/°C‏ 30‏±. זה מעניק פעולה מעולה שאינה משתנה הרבה עם הטמפרטורה, מתח או גיל, והופכת אותו למושלם עבור מעגלים מדויקים ויישומים אמינים, כגון OBCs עבור רכבים חשמליים. לשם השוואה, קבלי MLCC‏ Class II‏, כגון X7R, חווים סחיפה של ±15%, וקבלי פילם פועלים בדרך כלל עם סחיפה של ±2%.

OBCs‏ הם ממירי AC/DC למתח גבוה המשמשים לניצול בטוח ויעיל של הספקת-כוח מרשת החשמל לטעינת סוללות רכבים חשמליים (EV‏). קבלי MLCC‏ C0G‏ מוערכים בזכות פונקציות מדויקות ויציבות גבוהה בהמרת הספק ובסינון הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). הם משמשים במעגלי תהודה LLC, מעגלי מגביל זרם (Snubber‏) לטרנזינטי מתח, מסנני שיכוך EMI בתדר גבוה, מעגלי בקרה רגישים לממתח DC, ודוחפי שער וספקי כוח עזר.

עם הספק יציאה של kW‏ 22‏ הנפוץ כיום ב-OBCs‏ EV‏, הקבלים עבור פונקציית מעגל תהודה חייבים לעמוד במתח גבוה עם הפסדים נמוכים ובצפיפויות הספק גבוהות יותר בגורמי-צורה קומפקטיים. יש להם תפקיד מרכזי בהבטחת יעילות ואמינות המערכת הכוללת, מה שהופך MLCCs‏ C0G לאפשרות תכן אטרקטיבית.

יתרונות C0G

לקבלי MLCC בעלי מאפייני C0G יש יתרונות חשובים על פני קבלי פילם מסורתיים ביישומים אלה. המתכננים יכולים לנצל הפחתות משמעותיות באזור ההרכבה, יצירת חום נמוך יותר ויעילות העברה משופרת, מה שמאפשר OBCs קטנים ורבי-עוצמה יותר.

מיתוג בדרגות ההספק של OBC מייצר EMI, העלול להיות מוגבר עוד יותר על ידי מוליכים-למחצה בעלי פער-אנרגיה-רחב (WBG) כמו סיליקון קרביד (SiC) וגאליום ניטריד (GaN). חומרים אלה מאפשרים מיתוג אולטרה-מהיר עם נצילות גבוהה, אך הם גם מייצרים טרנזיינטי מתח תלולים. אלה מכונים בדרך כלל אירועי שינוי מתח גבוה לאורך זמן (dv/dt) היכולים לעלות על kV/µs‏ 50‏, שהוא גבוה בהרבה מאשר בתכני MOSFET סיליקון מסורתיים.

MLCCs בעלי מאפייני C0G הם יציבים מטבעם, אינם פייזואלקטריים, ונוטים פחות לסחיפה תרמית או חשמלית תחת מאמצים בתדר גבוה. הם מצטיינים בטיפול בפולסים וב-ESL נמוך, מה שהופך אותם למתאימים היטב עבור מעגלי מגביל זרם (Snubber‏) וסינון אופן-משותף.

MLCCs‏ C0G מציגים גורמי פיזור נמוכים ביותר וקיבוליות באיכות (Q) גבוהה. צירוף זה מבטיח הפסדי אנרגיה מינימליים והתנהגות תהודה יציבה, וכתוצאה מכך עומס תרמי נמוך יותר וצפיפות הספק משופרת. הם מעניקים יציבות חשמלית מעולה בהשוואה ל-MLCC דיאלקטריים X7R/X5R Class II, מציעים אפס רעש פייזואלקטרי ומבטיחים גורמי פיזור נמוכים וביצועי Q גבוה, שהם קריטיים עבור יישומי מיתוג בתדר גבוה.

ברשתות מגביל זרם (Snubber‏) ומסנני EMI, רכיבי Q גבוה מסייעים להבטיח מאפייני אימפדנס מדויקים, משפרים את שיכוך הטרנזיינטים ואת יעילות סינון הרעשים. עבור מערכות RF ומעגלים אנלוגיים מדויקים, Q גבוה תומך בסלקטיביות פס-צר ובתקינות אותות, המאפשרים סינון ובקרת תדר מדויקים יותר.

עם התנגדות טורית אקוויוולנטית (ESR‏) נמוכה יותר לעומת קבלי פילם, ההתחממות-העצמית מופחתת ותורמת לחיי מוצר ארוכים יותר. כמו כן, עם ההפחתה במספר הרכיבים, שימוש ב-MLCCs‏ C0G‏ משמעותו הארכת הזמן הממוצע עד לתקלה (MTTF) עבור יישומי OBC.

קבלי MLCC‏ C0G‏ משפיעים לטובה על דוחפי EV‏ ועל בעלי הרכב הודות לשיפור הטעינה ואמינות הרכב כמו גם שיפור התדמית הכוללת של האיכות. קבלי MLCC‏ C0G‏ תורמים לאמינות תרמית בתנאים קיצוניים, יעילות אנרגטית משופרת, ביטחון בטווח הנסיעה, פעולה חלקה ושקטה עם EMI מופחת ושקט נפשי לנהג.

שיקולי תכנון עבור OBCs‏

הצירוף הייחודי של יציבות, הפסדים נמוכים וגודל קומפקטי הופך את קבלי MLCC‏ C0G‏ לאידיאליים עבור מעגלים במהירות גבוהה ודיוק גבוה. אבל ישנן פשרות שהמתכננים צריכים להעריך בהחלטתם האם להשתמש בקבלי MLCC‏ C0G‏, קבלי MLCC‏ X7R‏ או בקבלי פילם.

קבלי פילם מעניקים קיבוליות גדולה יותר עבור מתח גבוה ואחסון אנרגיה, אך באופן כללי הם יקרים יותר ומגושמים יותר. קבלי MLCC‏ X7R‏ הם קומפקטיים, יעילים וחסכוניים יותר לעומת חלופות קבלי פילם, אך הקיבוליות שלהם יכולה להיות מושפעת משמעותית תחת ממתח DC‏, והם דורשים הורדת הערך הנומינלי (Derating‏) לטובת יציבות המתח.

איור 1: השוואת הגודל של קבל פילם V‏ 600‏ טיפוסי (משמאל) וקבל MLCC‏ C0G‏ למתח-גבוה במארז 3225‏ (מקור התמונה: TDK Corporation‏)

קבלי MLCC‏ C0G‏ הם בעלי פרמיית מחיר קטנה לעומת X7R‏ אך הם מבטיחים יציבות גבוהה יותר וביצועים טובים יותר ללא צורך בהורדת הערך הנומינלי (Derating‏). את הפרש המחיר ניתן לקזז, לפחות באופן חלקי, על ידי ההפחתה במספר הכולל של הרכיבים, מה שמוריד את מפרט החומרים (BOM) הכולל.

כאשר מתכננים קבלי MLCC‏ C0G‏ ב-OBCs‏ של רכבים חשמליים או מערכות רכב רגישות-להספקת-הכוח משתלם לנקוט משנה זהירות בבחירת הרכיבים. מפרטי היצרנים עשויים להיות דומים, אך שונויות ב-ESR, ESL ובמבנה יכולים להשפיע על כוונון המעגל. חיוני לא לערבב כלאחר יד רכיבי יצרנים שונים, ולתקף את הבחירה באמצעות בדיקות או סימולציות.

קבלי MLCC‏ C0G‏ מחליפים קבלי פילם ו-MLCC מסוג X7R עבור יישומים רבים, כגון מעגלי התהודה המספקים המרת הספק יעילה ובעלת ביצועים גבוהים עבור OBCs ויישומים קריטיים אחרים. אולטרה יציבות ומזעור בצירוף עם מתח גבוה הופכים רכיבים אלו לאפשרות תכן אטרקטיבית.

קבלי MLCC‏ C0G‏ עם קיבוליות גבוהה של TDK‏

בשנת 2025‏ TDK Corporation‏ הרחיבה את סדרת CGA (דירוג רכב) ו-סדרת C‏ (דירוג מסחרי ותעשייתי) של קבלי MLCC‏ C0G‏ בהרכבה-משטחית עד 10 ננו-פאראד (nF‏) עם מה שנחשב לקיבוליות הגבוהה ביותר בתעשייה עבור מוצרים בדירוג V‏ 1,250‏. הם נתונים במארז 3225‏ (3.2‏ x‏ 2.5‏ x‏ 2.5 מ"מ). בהשוואה, רכיבי X7R למתח-גבוה של TDK הם גדולים יותר ותומכים רק במתח של עד V‏ 630‏.

קווי המוצרים של C0G‏ C3225 ו-CGA6P‏ משתמשים בתכן מוצר ותהליך ממוטבים כדי להעניק התנגדות למתח גבוה. הם חולקים את גורם הצורה 3225, כך שהמתכננים יכולים להשתמש בהם כדי להפחית את הגודל הפיזי ואת מספר ה-MLCCs המורכבים בטור (איור 2).

איור 2: השוואה של שטח ההרכבה הנדרש עבור מערכי קבלים דומים המשתמשים בקבלי פילם, MLCC במתח נמוך יותר ו-MLCC במתח גבוה יותר. (מקור התמונה: TDK Corporation)

בהשוואה לחלופות, קבלי MLCC‏ C0G‏ של TDK‏ ממוטבים להפחתת ייצור חום, מה שמוסיף לאריכות ימים ומשפר את האמינות. הם מתאימים ביותר עבור מעגלי תהודה והגבלת זרם (Snubber‏), ממירי DC/DC וטעינה אלחוטית ביישומי רכב ומסחריים.

הגודל הקומפקטי של רכיבי TDK מאפשר למתכננים לספק יישומים תואמי AEC-2000 שהם קטנים ויעילים יותר עבור המכוניות של הדור-הבא. הם מבטיחים ביצועים אמינים בתנאים קשים, כולל הלם תרמי, רעידות ושינויי טמפרטורה מחזוריים, עם תחום טמפרטורות של C‏ִ°‏55‏- עד C‏ִ°‏125‏+.

ה- MLCC‏ בדירוג-רכב CGA6P1C0G3B103G250AC‏ מציע קיבוליות של nF‏ 10‏ עם טולרנס של %‏2‏±. הדיאלקטרי C0G מעניק יציבות יוצאת דופן בטמפרטורה, ויכול לעמוד בטמפרטורות ורעידות חזקות בתא המנוע. הם שימושיים במיוחד במעגלי תהודה והגבלת זרם (Snubber‏) במתח גבוה, כמו אלה הנמצאים במערכות טעינה של רכבים חשמליים ובאלקטרוניקה של הספקת-כוח. ה-CGA6P1C0G3B103J250AC‏ מספק את אותה קיבוליות אך עם טולרנס של ±5%.

רכיבי C3225‏ כוללים את אותם מאפייני מארז ותחום טמפרטורות אך הם פחות יקרים ומתוכננים עבור סביבות מסחריות ותעשייתיות מתונות יותר ופחות מוסדרות. בדומה למקביליהם בקו CGA6‏, ה-C3225C0G3B103G250AC‏ מספק קיבוליות של nF‏ 10‏ ומתח בדירוג גבוה של V‏ 1,250‏ באותו מארז 3225 עם טולרנס קיבוליות של ±2%, ההופך אותו למתאים עבור יישומים מדויקים. ה-C3225C0G3B103J250AC‏ הוא בעל קיבוליות של nF‏ 10‏ עם טולרנס של %‏5‏±.

סיכום

המתכננים יכולים להחליף בביטחון קבלי פילם או קבלים אלקטרוליטיים גדולים יותר, לייעל את פריסת הלוחות ולשפר את אמינות המערכת במערכות הספקת-כוח ורכב של הדור-הבא עם קבלי MLCC‏ C0G‏. קבלי MLCC‏ C0G‏ C3225‏ בדירוג מסחרי ו-CGA6P‏ בדירוג רכב של TDK‏ מעניקים אופציה אטרקטיבית עבור יישומי מתח גבוה ואמינות גבוהה עם קיבוליות מובילה-בתעשייה במארז קומפקטי לטובת יציבות יוצאת-דופן.