Высокая надежность Применение MLCC в зарядных станциях для электромобилей Высокая ударопрочность Защита от внешних воздействий 10-летний длительный срок службы Конструкция Решения для выбора полного сценария

Высоконадежное применение MLCC в зарядных станциях для электромобилей: высокая ударопрочность, защита от внешних воздействий, 10-летняя конструкция с длительным сроком службы и решения по выбору полного сценария

Компания: Dongguan Musen Laidun Electronic Technology Co., Ltd.

Зарядная батарея для электромобилей MLCC, Конденсатор для быстрой зарядки, Высоковольтный конденсатор для сверхбыстрой зарядки, Конденсатор для зарядки переменного/постоянного тока, Конденсатор для фильтра зарядной батареи, Ударопрочность высокой мощности, Конденсатор для защиты от солевых брызг для наружного применения

Му Сен Введение

Взрывной рост мировой индустрии транспортных средств на новых источниках энергии стимулирует быстрое развитие инфраструктуры зарядки. К 2025 году глобальное количество зарядных станций превысит 50 миллионов, при этом на долю станций быстрой зарядки постоянным током и сверхбыстрой зарядки придется более 40%. Как наиболее широко используемый пассивный компонент в зарядных блоках, использование MLCC превышает 200 единиц на блок зарядки переменного тока мощностью 7 кВт, 500 блоков на блок быстрой зарядки постоянного тока мощностью 120 кВт и 1000 блоков на блок сверхбыстрой зарядки мощностью 480 кВт. Новые аккумуляторы для зарядки энергии требуют непрерывной работы 7×24, расчетного срока службы ≥10 лет и долгосрочной службы в экстремальных условиях окружающей среды, выдерживая высокое напряжение более 1000 В постоянного тока, ударные токи в сотни ампер, частые скачки напряжения в сети, коррозию солевого тумана и старение во влажной среде, что предъявляет высочайшие отраслевые требования к надежности MLCC.

В настоящее время отрасль страдает от серьезных заблуждений при проектировании: использование обычных промышленных стандартов MLCC для зарядных батарей приводит к отказам массовых конденсаторов через 1–3 года после эксплуатации, что приводит к взрывам зарядных батарей, чрезмерным выходным пульсациям, перебоям в зарядке, пожарам и другим серьезным авариям, связанным с безопасностью. По данным отраслевой статистики, более 50% электрических неисправностей в зарядных установках происходят из-за отказов MLCC, при этом до 70% приходится на высоковольтные пробои и коррозию под воздействием окружающей среды. Основная причина заключается в том, что инженеры игнорируют уникальные мощные удары и экстремальные условия эксплуатации зарядных батарей на открытом воздухе, используя обычные материалы промышленного класса с недостаточным снижением характеристик, несоответствующими диэлектриками и недостаточной защитой.

Основываясь на IEC 61851, UL 2202, GB/T 18487 и других международных и национальных стандартах для блоков зарядки новой энергии, в сочетании с данными более чем 200 операторов зарядки по всему миру и более чем 100 000 образцов отказов, в этом документе систематически разбираются особые требования к новым блокам зарядки энергии для MLCC, глубоко анализируются пять механизмов отказа основных устройств в условиях высокой мощности и вне помещений, а также предоставляются стандартизированные спецификации выбора высокой надежности. проектирование систем утечки высокого напряжения и решения по защите окружающей среды на открытом воздухе. Охватывая четыре основных сценария: блоки зарядки переменным током, блоки быстрой зарядки постоянным током, блоки сверхбыстрой зарядки и контроллеры блоков зарядки, он помогает предприятиям создавать безотказную и долговечную новую инфраструктуру зарядки энергии.

1. Шесть основных особых требований к зарядным батареям новой энергии для MLCC

1.1 Допуск высокого напряжения переменного/постоянного тока

Современные зарядные батареи быстро развиваются в сторону более высоких напряжений. Напряжение блоков быстрой зарядки постоянного тока увеличилось с 400 В до 800 В, при этом блоки сверхбыстрой зарядки на 1000 В стали отраслевым стандартом, а некоторые блоки сверхбыстрой зарядки следующего поколения будут достигать напряжения 1500 В. MLCC должен выдерживать не только устойчивое высокое напряжение переменного/постоянного тока, но и мгновенные удары высокого напряжения, такие как скачки напряжения в сети, перенапряжения, вызванные молнией, и перенапряжения при переключении нагрузки, при этом пиковые напряжения достигают в 3–5 раз номинального напряжения.

1.2 Устойчивость к ударам высокой мощности и сильному току

Выходной ток блоков быстрой зарядки постоянного тока может превышать 250 А, а токи блоков сверхбыстрой зарядки превышают 600 А, при этом скорость изменения тока достигает более 1000 А/мс. Для этого необходимо, чтобы фильтры питания и развязки MLCC имели чрезвычайно низкие значения ESR и ESL, были способны быстро подавать мгновенные большие токи, выдерживая сильноточные удары без термического разгона.

1.3 Адаптивность к экстремально широким температурным условиям

Зарядные батареи используются на открытом воздухе по всему миру с диапазоном рабочих температур от -40℃ до 85℃. Летом внутренняя температура загрузочных штабелей под прямыми солнечными лучами может превышать 90℃, а зимой в северных регионах температура может опускаться до -40℃. MLCC должен поддерживать стабильные электрические характеристики в очень широком диапазоне температур без чрезмерного температурного дрейфа, ускоренного распада емкости или растрескивания под термическим напряжением.

1.4 Защита от агрессивной окружающей среды на открытом воздухе

Солевые брызги, влага, песок и ультрафиолетовые лучи на открытом воздухе вызывают сильную коррозию MLCC. Солевые брызги в прибрежных районах разъедают клеммы MLCC, что приводит к обрывам цепи; высокая влажность снижает сопротивление изоляции MLCC, вызывая утечки и утечки; ультрафиолетовые лучи ускоряют старение печатных плат и упаковочных материалов.

1.5 Сверхдолгий срок службы и высокая надежность

Новые энергозарядные установки требуют непрерывной работы 7×24, расчетного срока службы ≥10 лет и среднего времени наработки на отказ (MTBF) ≥50 000 часов. Это означает, что MLCC должен поддерживать стабильную работу в течение 10 лет с падением емкости ≤20%, током утечки ≤ пределов спецификации и отсутствием сбоев. Согласно модели срока службы Аррениуса, при рабочей температуре 85 ℃ MLCC должен пройти 2000 часов испытаний на высокотемпературное высоковольтное старение, чтобы соответствовать требованиям к 10-летнему сроку службы.

1.6 Сильная способность защиты от помех ЭМС

Зарядные сваи во время работы создают сильные электромагнитные помехи, а также на них влияют помехи от сети и другого оборудования. Являясь основным компонентом фильтрации мощности и формирования сигнала, MLCC должен обладать хорошей защитой от помех, эффективно фильтровать высокочастотные пульсации и паразитные сигналы, обеспечивая стабильный и безопасный процесс зарядки.

2. Пять основных механизмов отказа зарядной сваи MLCC

2.1 Отказ от пробоя высокого напряжения (наиболее распространенный, доля 40%)

Симптомы: Немедленный взрыв после включения зарядного устройства, перегорел предохранитель; Взрыв МЛЦК, чернение, перфорация, внутренняя карбонизация диэлектрика.

Основная причина: делится на мгновенный сбой из-за перенапряжения и хронический сбой из-за старения. Мгновенный пробой из-за перенапряжения вызван скачками напряжения в сети, ударами молнии и изменениями нагрузки; хроническое старение вызвано долговременным смещением постоянного тока. Обычный диэлектрик X7R может испытывать снижение емкости более чем на 50% через 3 года под напряжением смещения 800 В постоянного тока, что приводит к снижению сопротивления изоляции, что в конечном итоге приводит к пробою.

2.2. Термический отказ при высокой мощности (доля 25%)

Симптомы: перегрев, вздутие и перегорание МЛЦУ после длительной работы шихты с полной нагрузкой; На поверхности конденсатора видны следы карбонизации, а также изменение цвета печатной платы.

Основная причина: Чрезмерно высокое ESR MLCC генерирует большое количество тепла при высокочастотных сильноточных пульсациях; в то же время плохое рассеивание тепла препятствует своевременному отводу тепла, что приводит к постоянному повышению температуры конденсатора, формированию петли положительной обратной связи и, в конечном итоге, к тепловому разгону.

2.3. Экологическая коррозия. Отказ разомкнутой цепи (доля 60% в прибрежных районах).

Симптомы: Массовые перебои в зарядке и нестабильное выходное напряжение через 1-2 года после эксплуатации зарядных станций в прибрежных районах; белые отложения солей и черные пятна коррозии на поверхностях выводов MLCC, обрыв цепи при электрических испытаниях.

Основная причина: Ионы хлорида в соляном тумане вступают в реакцию с оловом и никелем на клеммах MLCC, образуя непроводящие хлориды, что приводит к разрушению электрода и разрыву цепи. Обычный MLCC имеет тонкое покрытие клемм и плохую устойчивость к солевому туману, выдерживая только 48-часовое испытание в нейтральном солевом тумане.

2.4 Усталостное растрескивание при термическом цикле (доля 20%)

Симптомы: Периодические неисправности через 2–3 года после эксплуатации загрузочного котла, ухудшение состояния при изменении температуры; микротрещины в керамических корпусах MLCC, периодическое короткое замыкание или обрыв цепи при электрических испытаниях.

Основная причина: Частые пуски-остановки и изменения нагрузки загрузочных штабелей вызывают большие колебания внутренней температуры. Повторяющееся тепловое расширение и сжатие создают периодические напряжения внутри MLCC, вызывая микротрещины в керамическом корпусе, которые постепенно распространяются, что в конечном итоге приводит к обрыву или короткому замыканию.

2.5 Сбой в результате скачка напряжения (доля 15 %)

Симптомы: массовое повреждение зарядного штабеля после грозы или колебаний сети; Короткое замыкание при пробое MLCC, горение входных предохранителей и выпрямительных мостов.

Основная причина: мгновенные скачки напряжения из-за перенапряжений, вызванных молнией, и перенапряжений при переключении сети могут достигать тысяч вольт, превышая пределы выдерживаемого напряжения MLCC и вызывая мгновенный пробой диэлектрика. Обычные MLCC промышленного класса обладают недостаточной устойчивостью к перенапряжениям и не могут выдерживать такие высокоэнергетические удары.

3. Стандарты выбора высокой надежности для зарядной сваи MLCC

3.1 Выбор диэлектрика: X8R – единственный выбор

Железное правило выбора: в новых батареях для зарядки энергии все основные силовые цепи переменного/постоянного тока должны использовать диэлектрик X8R; все высокоточные схемы отбора проб и сигналов должны использовать диэлектрик C0G; полностью исключить диэлектрик X5R и ограничить использование диэлектрика X7R.

3.2 Стандарты снижения напряжения: самые строгие в отрасли

Чтобы противостоять скачкам напряжения и долгосрочному старению, зарядная установка MLCC должна соответствовать гораздо более строгим стандартам снижения напряжения, чем обычное промышленное оборудование:

3.3 Стандарты температурного снижения номинальных характеристик

• Диэлектрик X8R: максимальная рабочая температура 150 ℃, рекомендуемая рабочая температура ≤100 ℃.
• Диэлектрик C0G: максимальная рабочая температура 150 ℃, рекомендуемая рабочая температура ≤125 ℃.
• Рабочая температура MLCC в горячих точках загрузочного штабеля должна быть ≤85 ℃.
• В условиях пустыни с высокими температурами температурное снижение характеристик следует увеличить еще в 0,5 раза.

3.4 Выбор пакета и специальных функций

• Выбор пакета: Предпочитайте пакеты 0805/1206, обеспечивающие балансировку выдерживаемого напряжения и рассеивание тепла; использовать корпуса 1210 для высоковольтных цепей; запретить упаковки 1812 и большего размера, чтобы избежать растрескивания при термическом цикле
• Выбор защиты от солевого тумана: все наружные зарядные установки должны использовать противосолевую защиту MLCC с утолщенным покрытием Ni-Pd-Au, прошедшую 1000-часовое испытание в нейтральном солевом тумане.
• Выбор высокой мощности: в цепях фильтрации основного питания используется выделенный высокомощный X8R MLCC с низким ESR, ESR ≤5 мОм (1 МГц)
• Выбор высокого значения dv/dt: в схемах демпфирующих трубок переключателя используется MLCC с толстым диэлектриком, устойчивым к dv/dt, с допуском dv/dt ≥100 В/нс.
• Гибкий выбор заделки: используйте гибкую заделку MLCC в зонах с большими перепадами температур и высокой вибрацией, что повышает устойчивость к растрескиванию при термическом цикле более чем в 3 раза.

4. Конструкция печатной платы загрузочной сваи и технические характеристики процесса

4.1 Проектирование систем утечки и зазоров высокого напряжения

Строго соблюдайте стандарты IEC 60664-1 и UL 2202. Минимальные пути утечки и воздушный зазор для разных уровней напряжения:

Рекомендации по проектированию: Между зонами высокого и низкого напряжения должны быть предусмотрены прорези шириной ≥3 мм; отсутствие оголенной меди между высоковольтными контактами; Толщина паяльной маски в зонах высокого напряжения ≥30 мкм.

4.2 Тепловой расчет

• MLCC следует хранить вдали от источников тепла, таких как IGBT, диоды, катушки индуктивности и трансформаторы, на расстоянии ≥15 мм.
• Добавьте плотные тепловые проходы под конденсаторами высоковольтного фильтра для отвода тепла к заземляющему слою и радиатору.
• Используйте несколько конденсаторов малой емкости параллельно вместо отдельных конденсаторов большой емкости, чтобы рассеять тепло и уменьшить токовую нагрузку на отдельные конденсаторы.
• Спроектируйте систему принудительного воздушного охлаждения внутри загрузочного штабеля, чтобы обеспечить циркуляцию воздуха и контролировать внутреннюю температуру ниже 60 ℃.

4.3 Характеристики компоновки и маршрутизации

• Запретить размещение MLCC рядом с краями печатной платы, отверстиями для винтов и линиями разделения панелей на расстоянии ≥5 мм.
• Следы силового контура должны быть короткими и широкими, шириной ≥5 мм и толщиной ≥2 унций, чтобы уменьшить сопротивление и индуктивность проводников.
• Используйте 2–4 переходных отверстия на каждый MLCC для подключения питания и заземления диаметром ≥0,5 мм, чтобы уменьшить индуктивность и сопротивление.
• Строго изолируйте высоковольтные дорожки от низковольтных сигнальных дорожек на расстоянии ≥10 мм во избежание перекрестных помех.
• Развязывающие конденсаторы должны быть расположены как можно ближе к выводам питания микросхем и силовых устройств, с длиной дорожки ≤0,5 мм.

4.4 Процессы пайки и защиты

• Скорость изменения оплавления ≤2℃/с, пиковая температура ≤240℃, чтобы избежать повреждения от термического напряжения.
• Запретить ручную пайку MLCC в высоковольтных и силовых цепях для обеспечения постоянства качества пайки.
• Тщательно очистите печатную плату после пайки, чтобы удалить остатки флюса и другие загрязнения.
• Все зарядные сваи на открытом воздухе должны быть покрыты конформным покрытием военного класса толщиной ≥50 мкм.
• Прибрежное оборудование и зоны с высокой влажностью требуют дополнительной обработки заливки антисолевым составом.

5. Типичные прикладные решения для сценариев

5.1 Блок зарядки переменного тока мощностью 7 кВт

Основные требования: низкая стоимость, высокая надежность, защита от воздействия окружающей среды, длительный срок службы.

Выбор решения:

• Входная фильтрация переменного тока: 0805 0,1 мкФ 1000 В X8R
• Фильтрация после выпрямления: 0805 10 мкФ 450 В X8R × 4 параллельных
• Вспомогательное питание: 0603 22 мкФ 50 В X8R
• Цепь управления: 0402 100нФ 50В C0G
• Схема выборки: 0402 1нФ 50В C0G

Рекомендации по проектированию: принять снижение напряжения в 2,5–3 раза; нанести конформное покрытие; используйте противосолевой спрей MLCC в прибрежных районах.

5.2 Блок быстрой зарядки постоянного тока мощностью 120 кВт

Основные требования: высокая мощность, высокое напряжение, большой ток, высокая надежность.

Выбор решения:

• Фильтрация шины постоянного тока: 1206 1 мкФ 2000 В X8R × 24 параллельных
• Демпфер IGBT: 0805 10нФ 2000В C0G
• Выходная фильтрация: 1206 10 мкФ 1000 В X8R × 12 параллельных
• Вспомогательное питание: 0603 47 мкФ 50 В X8R
• Схема связи: 0402 10нФ 50В C0G

Рекомендации по проектированию: принять снижение напряжения более чем в 3 раза; оптимизировать тепловую конструкцию для контроля рабочей температуры конденсатора ниже 85 ℃; используйте мощный MLCC с низким ESR.

5.3 Блок сверхбыстрой зарядки мощностью 480 кВт, 1000 В

Основные требования: сверхвысокое напряжение, сверхбольшой ток, высокая устойчивость к dv/dt, сильное рассеивание тепла.

Выбор решения:

• Фильтрация шины постоянного тока: 1210 0,47 мкФ 3000 В X8R × 48 параллельно
• Демпфер трубки переключателя SiC: 0805 22nF 3000V C0G
• Выходная фильтрация: 1206 2,2 мкФ 2000 В X8R × 36 параллельно
• Мощность привода: 0603 10 мкФ 100 В X8R
• Схема защиты: 0805 100нФ 1500В X8R

Рекомендации по проектированию: принять снижение напряжения выше 3,5x; используйте MLCC с толстым диэлектриком, устойчивым к dv/dt; принять систему жидкостного охлаждения; изоляция слотов во всех высоковольтных зонах.

5.4 Контроллер загрузочной сваи

Основные требования: высокая стабильность, защита от помех, длительный срок службы.

Выбор решения:

• Фильтрация основной мощности: 0805 22 мкФ 50 В X8R × 4 параллельных
• Развязка процессора: 0402 0,1 мкФ 16 В C0G
• Интерфейс связи: 0402 1нФ 50В C0G
• Аналоговый сигнал: 0402 100нФ 25В C0G
• Резервное питание: 0603 100 мкФ 16 В X8R

Рекомендации по проектированию: Оптимизируйте конструкцию обеспечения целостности электропитания для снижения шума; усилить электромагнитное экранирование; выполнить 1000 испытаний на термический цикл.

6. Распространенные отраслевые заблуждения и подводные камни

• Заблуждение 1: Обычный X7R можно использовать в высоковольтных цепях зарядки. Правда: X7R испытывает падение емкости более чем на 50% через 3 года под напряжением смещения 800 В, что не соответствует требованиям к 10-летнему сроку службы.
• Заблуждение 2: достаточно 2-кратного снижения напряжения → Правда: Перенапряжение зарядной батареи может достигать 3–5-кратного превышения номинального напряжения, что требует более чем 3-кратного снижения напряжения для обеспечения безопасности.
• Заблуждение 3: Достаточное расстояние утечки устраняет необходимость в защите → Правда: Солевой туман и песок на открытом воздухе снижают сопротивление поверхностной изоляции, что требует защитного покрытия и заливки.
• Заблуждение 4: Конденсаторы больших корпусов имеют более высокую емкость и лучшую фильтрацию → Правда: Конденсаторы больших корпусов имеют более высокие значения ESR и ESL, более сильный нагрев при большом токе; используйте несколько небольших конденсаторов параллельно.
• Заблуждение 5: отказ MLCC — это лишь индивидуальное явление → Правда: отказы MLCC происходят периодически, при этом материалы одной партии интенсивно выходят из строя в одно и то же время.
  

  Конденсаторы MP0402R225K010TAAA Mlcc
  

  Конденсатор MP0603X105K025TAAA Mlcc

  

  MP0603X104K050TAAA MLCC

  

  Конденсатор MP0805X104K050TAAA Mlcc

  

  Конденсатор MP0805B476M007TAAA Mlcc

7. Контрольный список проектирования MLCC загрузочной сваи

• Во всех основных силовых цепях используется диэлектрик X8R, в цепях отбора проб используется диэлектрик C0G.
• Внедрить снижение номинального напряжения постоянного тока в ≥3 раза, снижение номинального напряжения переменного тока в ≥4 раза.
• Рабочая температура MLCC ≤85 ℃, максимум не более 100 ℃.
• Предпочитать пакеты 0805/1206, запрещать пакеты 1812 и выше.
• Во всех наружных зарядных установках используется защита от солевого тумана MLCC, прошедшая 1000-часовое испытание в солевом тумане.
• Утечки и воздушные зазоры в зоне высокого напряжения соответствуют стандартам IEC 60664.
• Изоляция слотов в зонах высокого напряжения, отсутствие оголенной меди
• Оптимизируйте тепловую схему, используйте несколько конденсаторов параллельно для рассеивания тепла.
• Печатная плата покрыта конформным покрытием военного класса, толщина ≥50 мкм.
• Оборудование прибрежной зоны подвергается дополнительной заливке
• Выполните 2000-часовое испытание на высокотемпературное старение при высоком напряжении.
• Выполните 1000 термических циклов и испытания на ударную нагрузку.

Заключение

Зарядные станции для новых источников энергии являются важной инфраструктурой для индустрии транспортных средств на новых источниках энергии, и их надежность напрямую связана с популяризацией и разработкой транспортных средств на новых источниках энергии. Особые условия работы при высоком напряжении, высокой мощности и экстремальных условиях окружающей среды создают беспрецедентные проблемы для надежности MLCC. Обычные MLCC промышленного класса вообще не могут удовлетворить требования к зарядным сваям, а слепое использование приведет к огромным экономическим потерям и угрозам безопасности.

Основой конструкции зарядного устройства MLCC является «стойкость к высокому напряжению + высокая мощность + надежная защита + длительный срок службы». Инженеры должны отказаться от обычного подхода к проектированию промышленного уровня, строго следовать стандартам отбора, снижению характеристик и требованиям к проектированию, изложенным в этом документе, выбрать долговечный MLCC X8R, специально оптимизированный для зарядки аккумуляторов, а также усилить защиту от высокого напряжения и защиту окружающей среды, чтобы построить новую инфраструктуру зарядки энергии, которая действительно сможет стабильно работать более 10 лет.

Компания Dongguan Musen Leyton Electronic Technology Co., Ltd. предоставляет полный спектр новых продуктов для зарядных устройств MLCC, в том числе серию X8R с длительным сроком службы 10 лет, высоковольтную серию 1000–3000 В, серию с защитой от солевых брызг, мощную серию с низким ESR, серию с высоким dv/dt и серию гибких концевых заделок, отвечающих потребностям всех сценариев, таких как батареи для зарядки переменным током, батареи для быстрой зарядки постоянным током, сверхбыстрая зарядка. сваи и контроллеры заряжающих свай. Мы также предоставляем профессиональные услуги технической поддержки зарядных блоков, включая рекомендации по выбору, проверку компоновки печатных плат, тестирование надежности и анализ отказов, помогая клиентам создавать высоконадежные и долговечные новые продукты для зарядки энергии.