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TDK MLCC应用指南:在EV无线充电系统中的应用

2019-03-13
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随着材料技术与积层技术的不断精进,在进一步实现MLCC(积层陶瓷贴片电容器)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。



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。



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

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。



图2所示为通过磁共振式无线充电为EV电池进行充电的示意图,以及受电侧谐振电容器尺寸的比较示例。

图2:通过磁共振式无线充电为EV电池进行充电以及受电用谐振电容器尺寸比较示例(示意图)

将满足电容量20nF、AC2kVrms规格的薄膜电容器替换为串联及并联的多个TDK的C0G特性MLCC时,以往630V的C0G特性MLCC中需要180个。即便如此,也大幅实现了小型化,但如果替换为新开发的1000V的C0G特性MLCC,则单纯计算后可以只需使用80个,因此可进一步节约空间以及削减数量。



图3是以往产品C0G特性·630V·MLCC与新开发的C0G特性·1000V·MLCC阻抗-频率特性以及ESR-频率特性的比较。

图3:630V·MLCC与1000V·MLCC的阻抗-频率特性以及ESR-频率特性的比较

1000V·MLCC的ESR相比630V·MLCC降低了50%。额定电压从630V到1000V时,1个MLCC中流经的电流值将增加至大约1.5倍,但当ESR值与以往MLCC相同时,则因发热导致寿命劣化的危险性将会提高。


新开发的C0G特性·1000V·MLCC的ESR为50%,达到了极低的水平,因此在图2的替换示例中,可从180个到80个,实现大幅削减。需要注意的是,将其他电容器替换为MLCC时,ESR值同样也是十分重要的因素。



TDK提供车载等级及CGA系列的中耐压MLCC(额定电压100~630V)、高耐压MLCC(额定电压1000V以上)等各类MLCC。其中,额定电压为1000V、温度特性为C0G特性/NP0特性、电容量为1nF~33nF的产品拥有以下类型。除了磁共振式无线充电共振电容器之外,在时间常数电路、滤波器电路、振荡电路等在有高精度的要求时,需要实现小型化和SMT化的情况下可以用于替换薄膜电容。同时,为了进一步提高可靠性,对于基板弯曲导致的元件体开裂、热冲击导致的焊锡开裂以及振动等外部环境因素具有较强耐受性的金属支架电容及树脂电极品系列也一应俱全。


EV及自动驾驶等新一代汽车的发展关键在于对电池进行高效充电的无线充电技术。在磁共振式无线充电中,谐振电容器的特性与电力传输效率息息相关。实现耐电压1000V的TDK的C0G特性·高耐压MLCC是作为EV无线充电中的谐振电容器,具备最佳特性的温度补偿用(种类1)MLCC。同时,由于ESR极低,这也是C0G特性·高耐压MLCC所不可忽视的重要因素。TDK将通过扩大耐电压及电容量范围等方式,进一步丰富产品线。

* C0G:–55~+125°C中温度系数在0±30ppm/°C以内
** NP0:–55~+150°C中温度系数在0±30ppm/°C以内


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