Negli ultimi due anni CODICO ha pubblicizzato la nuova tecnologia “High Voltage PMLCAP” di RUBYCON. In questo articolo spieghiamo alcuni dei notevoli vantaggi che presentano i PMLCAP ad alta tensione rispetto ai condensatori a film standard.
Qualche informazione di base sui PMLCAP:
- PMLCAP sta per Polymer Multi-Layer CAPacitor
- Non subiscono alcun effetto piezoelettrico che possa causare rumore e suoni
- Nessun effetto di polarizzazione in continua
- Stabilità della capacità in un ampio intervallo di temperatura
- Nessun rischio di cortocircuito, incendio e generazione di fumi
- Attualmente sono molto utilizzati nell’audio di fascia alta per sostituire MLCC
- Sono già stati prodotti oltre 300 milioni di pezzi
- Ampiamente utilizzati anche nel settore automotive e, per la sua affidabilità, anche nel lander “InSight” della NASA inviato su Marte.
Attualmente i PMLCAP sono disponibili nelle serie MU e MS per applicazioni a bassa tensione che vanno da 10V a 100V. Queste serie consentono di ridurre le dimensioni del condensatore a film metallizzato fino a un decimo mantenendo le stesse specifiche. Sebbene le dimensioni possano essere leggermente maggiori rispetto agli MLCC, i PMLCAP non presentano caratteristiche indesiderate comunemente riscontrate negli MLCC (classe 2), come la polarizzazione CC o l’effetto piezoelettrico.
RUBYCON sta portando avanti ricerche per lo sviluppo dei PMLCAP per applicazioni in alta tensione puntando a tensioni da 500V a 900V. Attualmente sono in fase di sviluppo due serie: la serie HPB (tipo box, disponibile con capacità da 5μF a 25μF) e la serie HPM (tipo modulo con specifiche personalizzabili). Cosa caratterizza questi PMLCAP ad alta tensione? Ecco qui un elenco dei principali fattori:
Fattore 1 – Dimensioni inferiori: riduzione fino al 50% rispetto ad altri condensatori a film.
In futuro, i PMLCAP ad alta tensione potrebbero essere fino al 50% più piccoli agli attuali condensatori a film con specifiche equivalenti. Questa significativa riduzione delle dimensioni è dovuta alla differenza delle costanti dielettriche: i condensatori a film utilizzano PP (Polipropilene) con valori di 2,1-2,2K mentre i PMLCAP utilizzano Acrilico che possiede un valore maggiore, pari a 2,9K. Pertanto i PMLCAP mostrano una maggiore capacità di immagazzinare carica elettrica rispetto ai condensatori a film in PP. Con l’attuale serie HPB RUBYCON ha ottenuto una riduzione delle dimensioni del 30% rispetto ai condensatori a film con specifiche equivalenti (vedi figura 1).
In prospettiva RUBYCON punta ad aumentare il gradiente di tensione dei PMLCAP a 300V/μm, superando gli attuali 250 V/μm tipici dei condensatori a film. Raggiunto questo traguardo, si prevede che le dimensioni della serie HPB saranno fino al 50% inferiori rispetto agli attuali condensatori a film con identiche specifiche (vedi figura 2).
Fattore 2 – Riduzione della taglia: miniaturizzazione con un gradiente di tensione di 300V/μm.
Maggiore è il gradiente di tensione, minore sarà la dimensione del condensatore. Per aumentare il gradiente di tensione nei condensatori a film, il principale punto di miglioramento è lo schema delle celle dei fusibili che proteggono dal cortocircuito e dalla fuga termica. Se si riesce ad aumentare il numero delle celle mantenendo la stessa dimensione dello strato del film si ha una capacità stabile anche se una cella dovesse scomparire. Ma per aumentare il numero delle celle mantenendo la stessa dimensione dello strato, ogni cella dovrà essere più piccola, il che riduce l’intera capacità. Poiché si tratta di una tecnologia matura, per poter aumentare il gradiente di tensione dei condensatori a film è necessario introdurre un’innovazione ingegneristica (vedi figura 3).
I PMLCAP non utilizza questa organizzazione dei fusibili. Per raggiungere un gradiente di tensione più elevato ci sono ancora molti margini nella progettazione, per esempio la selezione dei materiali e la modifica della struttura. In effetti, RUBYCON prevede che sia possibile raggiungere i 300V/μm in un prossimo futuro e successivamente superare questo limite nell’ottica di un’ulteriore riduzione delle dimensioni.
Fattore 3 – Resistenza al calore: affidabile funzionamento a 125°C e obiettivo futuro a 150°C.
Il dielettrico di un condensatore a film è di tipo termoplastico, infatti utilizza un film in PP per le sue basse perdite. Ma la temperatura di fusione del PP è nell’intervallo tra 160 e 170°C, di conseguenza già operando a 125°C si corre il rischio che si inneschino delle fughe termiche. Il dielettrico dei PMLCAP è invece realizzato in acrilico termoindurente che si decompone a 400°C ma non ha una temperatura di fusione. Pertanto, il funzionamento a 125°C del PMLCAP non comporta rischi termici.
C’è un ulteriore vantaggio in termini di resistenza al calore. Il condensatore è in grado di sopportare maggiori aumenti di temperatura dovuti all’aumento della corrente di ripple, di conseguenza più sono alte la temperatura e la corrente di ripple più il PMLCAP diventa vantaggioso per le sue ridotte dimensioni.
Fattore 4 – Montaggio SMD: resistenza alla saldatura reflow.
L’eccezionale resistenza al calore dei PMLCAP permette di montarli su schede a montaggio superficiale (SMD) utilizzando la tecnica della saldatura reflow.
Le serie a bassa tensione, MU e MS, sono già disponibili come prodotti SMD. Se i dispositivi PMLCAP possono resistere ai processi di saldatura reflow standard, anche i PMLCAP ad alta tensione potrebbero in futuro essere montati come SMD utilizzando metodi di saldatura reflow.
Fattore 5 – Tensione nominale stabile: nessun derating di tensione fino a 125°C.
Nell’utilizzare un condensatore a film PP in condizioni sia di alta temperatura che di tensione, diventa un fattore cruciale da affrontare il derating della tensione nominale. Ad esempio, un condensatore a film con una tensione nominale di 900V non può funzionare alla massima tensione con temperature elevate come 125°C. Di conseguenza, in questi casi deve essere utilizzato un condensatore a film con una tensione nominale più elevata.
Un vantaggio significativo dei PMLCAP è l’assenza di derating di tensione. La tensione nominale per i PMLCAP può essere applicata in tutto l’intervallo di temperatura di esercizio. Per esempio, le serie HPB e HPM possono funzionare alla loro tensione nominale anche a 125°C.
Questo fatto permette un’ulteriore opportunità di miniaturizzazione dei condensatori. Infatti, non c’è alcuna necessità di usare condensatori a film con tensioni maggiori (per es. da 1000V o più) quando potrebbe essere sufficiente una tensione nominale di 900V. Optare per un PMLCAP con tensione inferiore offre diversi vantaggi (vedi figura 4).
Fattore 6 – Corrente di ripple oltre 10kHz: adatti ai SiC e alle future tecnologie per l’alimentazione.
Il fattore di dissipazione dei PMLCAP è dello 0,5% a 1 kHz, superiore allo 0,02% dei condensatori a film in PP. Ciò indica che i PMLCAP hanno perdite superiori rispetto ai condensatori a film PP in termini di proprietà dei materiali (vedi figura 5).
Ma questo inconveniente è evidente solo fino a frequenza di commutazione dell’ordine di 1kHz. Se la frequenza di commutazione supera questo valore (ad esempio oltre i 10 kHz), cosa comune nei convertitori CC, i PMLCAP mostrano di essere vantaggiosi per la maggior capacità di corrente di ripple (vedi figura 6).
Il fattore di dissipazione sopra i 10 kHz è più strettamente correlato alla struttura del condensatore. Per consentire la miniaturizzazione a tensioni più elevate, gli strati all’interno del PMLCAP sono collegati in serie, simili ai condensatori in serie. Come illustrato nella Figura 7, il confronto tra un condensatore a film (senza serie) e PMLCAP (5 serie) evidenzia che la resistenza dell’elettrodo del PMLCAP è cinque volte più piccola, considerando la differenza di lunghezza.
Inoltre, la struttura in serie facilita una migliore dispersione del calore. La conduttanza termica nella direzione della lunghezza è circa 2,3 volte superiore a quella di un normale condensatore a film.
Questa costruzione è in grado di gestire correnti di ripple più elevate che finiscono per generare calore (vedi figura 6).
Fattore 7 – Produzione affidabile: RUBYCON è l’unica grande azienda attualmente in produzione di massa.
RUBYCON produce e fornisce PMLCAP da oltre un decennio. Questi condensatori sono ora ampiamente utilizzati in varie applicazioni, che vanno dai beni di consumo all’automotive e persino all’esplorazione spaziale, come il lander su Marte “InSight”. Tuttavia va notato che la tecnologia PMLCAP è stata sviluppata prima del coinvolgimento produttivo di RUBYCON che è stato solo uno dei contributori al suo sviluppo. Attualmente altri costruttori lavorano su condensatori simili al PMLCAP.
Un fatto rimane evidente: tra tutti gli sviluppatori di “condensatori polimerici ad alta tensione”, RUBYCON si distingue come l’unico con una vasta esperienza di produzione. Questo know-how, accumulato in oltre un decennio, non è facilmente replicabile: la capacità di mantenere una produzione stabile con elevati e costanti livelli di qualità è ciò che distingue RUBYCON dai nuovi arrivati.
Fattore 8 – Applicazione: sostituzione di molti altri condensatori.
Grazie a questi vantaggi, i PMLCAP sono ora considerati i sostituti dei condensatori a film DC link comunemente impiegati in applicazioni ad alta temperatura come, per esempio, gli inverter automotive. Scegliendo i PMLCAP sono evidenti diversi vantaggi tra i quali: riduzione del peso e delle dimensioni, assenza di derating di tensione, riduzione dei rischi in ambienti ad alta temperatura e maggiore corrente di ripple.
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