Los MLCC C0G ofrecen ventajas de diseño para los cargadores integrados

Los operadores de vehículos eléctricos no deberían tener que preocuparse por la eficiencia de la carga y la estabilidad térmica: solo quieren un transporte altamente fiable con la mejor autonomía por carga y un mantenimiento y reparaciones mínimos. Los fabricantes quieren un cargador integrado (OBC) lo más compacto posible. Conciliar los objetivos de operadores y fabricantes es un desafío de diseño que se consigue cada vez más utilizando capacitores cerámicos multicapa (MLCC) con características C0G.

El C0G, también llamado NP0, es un capacitor cerámico dieléctrico de Clase 1 con una capacitancia extremadamente estable: cambio casi nulo con un error máximo permitido de ±30 ppm/°C. Esto proporciona un funcionamiento superior que no cambia mucho con la temperatura, el voltaje o la edad, lo que lo hace perfecto para circuitos precisos y aplicaciones fiables, como los OBC para vehículos eléctricos. En comparación, los MLCC de Clase II, como X7R, experimentan una deriva de ±15%, y los capacitores de película suelen funcionar con una deriva de ±2%.

Los OBC son convertidores CA/CC de alta tensión que se utilizan para aprovechar de forma segura y eficiente la energía de la red para cargar las baterías de los vehículos eléctricos. Los MLCC C0G son muy apreciados por sus funciones de alta precisión y estabilidad en la conversión de potencia y el filtrado de interferencias electromagnéticas (EMI). Se utilizan en circuitos de tanque resonante LLC, circuitos de supresores de transitorios de tensión, filtros de supresión EMI de alta frecuencia, circuitos de control sensibles al sesgo de CC y controladores de compuerta y fuentes de alimentación auxiliares.

Con una potencia de salida de 22 kW, ahora habitual en los OBC de los VE, los capacitores para la función de circuito resonante deben soportar altas tensiones y ofrecer bajas pérdidas para soportar mayores densidades de potencia en un factor de forma compacto. Desempeñan un papel fundamental a la hora de garantizar la eficiencia y fiabilidad general del sistema, lo que convierte a los MLCC C0G en una atractiva opción de diseño.

Ventajas del C0G

Los MLCC con características C0G tienen ventajas clave sobre los capacitores de película tradicionales en estas aplicaciones. Los diseñadores pueden beneficiarse de importantes reducciones en el área de montaje, supresión de la generación de calor y mejora de la eficiencia de transmisión, lo que permite OBC más pequeños y potentes.

La conmutación en etapas de potencia OBC genera EMI, que puede verse amplificada por semiconductores de banda ancha (WBG) como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN). Estos materiales permiten una conmutación ultrarrápida de alta eficiencia, pero también producen transitorios de tensión pronunciados. Se trata de eventos de cambio de alta tensión en el tiempo (dv/dt) que pueden superar los 50 kV/µs, mucho más que en los diseños de MOSFET de silicio tradicionales.

Los MLCC con características C0G son intrínsecamente estables, no piezoeléctricos y menos propensos a la deriva térmica o eléctrica bajo tensión de alta frecuencia. Sobresalen en el manejo de impulsos y bajo ESL, lo que los hace muy adecuados para circuitos de supresores y filtrado en modo común.

Los MLCC C0G presentan factores de disipación excepcionalmente bajos y una alta capacitancia de calidad (Q). Esta combinación garantiza una pérdida mínima de energía y un comportamiento resonante estable, lo que se traduce en un menor estrés térmico y una mayor densidad de potencia. Proporcionan una estabilidad eléctrica superior en comparación con los MLCC dieléctricos X7R/X5R Clase II, ofreciendo cero ruido piezoeléctrico y garantizando factores de disipación bajos y un alto rendimiento Q, que son críticos para aplicaciones de conmutación de alta frecuencia.

En las redes de supresores y los filtros EMI, los componentes de alto Q ayudan a garantizar unas características de impedancia precisas, mejorando la supresión de transitorios y la eficacia del filtrado de ruidos. Para los sistemas de RF y los circuitos analógicos de precisión, el alto Q favorece la selectividad de banda estrecha y la integridad de la señal, lo que permite un filtrado y un control de frecuencia más precisos.

Con una menor resistencia serie equivalente (ESR) que los capacitores de película, se reduce el autocalentamiento, lo que contribuye a una mayor vida útil. Además, con una reducción en el número de componentes, el uso de MLCC C0G da como resultado un mayor tiempo medio hasta el fallo (MTTF) para aplicaciones OBC.

Los MLCC C0G afectan a los conductores y propietarios de vehículos eléctricos al mejorar la experiencia de carga, la fiabilidad del vehículo y la percepción general de la calidad de fabricación. Los MLCC C0G contribuyen a la fiabilidad térmica en condiciones extremas, la mejora de la eficiencia energética y la confianza en la autonomía, el funcionamiento suave y silencioso con EMI reducida y la tranquilidad del conductor.

Consideraciones sobre el diseño de los OBC

La combinación única de estabilidad, baja pérdida y tamaño compacto hace que los MLCC C0G sean ideales para circuitos de alta velocidad y alta precisión. Sin embargo, los diseñadores deben evaluar las ventajas y desventajas de utilizar capacitores MLCC C0G, MLCC X7R o capacitores de película.

Los capacitores de película ofrecen una mayor capacitancia para alta tensión y almacenamiento de energía, pero suelen ser opciones más costosas y voluminosas (Figura 1). Los MLCC X7R son más compactos y económicos que las alternativas de película, pero su capacitancia puede verse afectada significativamente bajo polarización de CC, y requieren reducción de potencia para la estabilidad de la tensión.

Figura 1: Comparación del tamaño de un capacitor de película típico de 600 V (izquierda) y un MLCC C0G de alto voltaje con encapsulado 3225. (Fuente de la imagen: TDK Corporation)

Los MLCC C0G tienen un pequeño sobreprecio respecto a los X7R, pero garantizan una mayor estabilidad y un mejor rendimiento sin necesidad de reducción de potencia. La diferencia de costo puede compensarse, al menos parcialmente, con una reducción del número total de componentes, lo que disminuye la lista total de materiales.

Al diseñar con MLCC C0G en OBC de VE u otros sistemas de automoción sensibles a la potencia, se debe tener cuidado en la selección de componentes. Las especificaciones de los proveedores pueden ser similares, pero las variaciones en ESR, ESL y construcción pueden afectar al ajuste del circuito. Es esencial no mezclar casualmente componentes de proveedores y validar las selecciones mediante pruebas de banco o simulaciones.

Los MLCC C0G están sustituyendo a los capacitores de película y a los MLCC X7R en muchas aplicaciones, como los circuitos resonantes que ofrecen una conversión de potencia eficiente y de alto rendimiento para los OBC y otras aplicaciones críticas. Su gran estabilidad y miniaturización, combinadas con un alto voltaje, hacen de estos componentes una atractiva opción de diseño.

MLCC C0G de alta capacidad de TDK

En 2025, TDK Corporation amplió sus series CGA (para automoción) y C (para uso comercial e industrial) de MLCC C0G de montaje superficial a 10 nanofaradios (nF) con lo que se cree que es la capacitancia más alta del sector para un producto de 1,250 V nominales. Se presentan en una caja 3225 (3.2 x 2.5 x 2.5 mm). Los componentes de alto voltaje X7R de TDK, en comparación, son más grandes y sólo soportan hasta 630 V.

Las líneas de productos C3225 y CGA6P C0G utilizan un diseño optimizado de productos y procesos para ofrecer una resistencia de alto voltaje. Comparten el factor de forma 3225, por lo que los diseñadores pueden utilizarlos para reducir el tamaño físico y el número de MLCC montados en serie (Figura 2).

Figura 2: Comparación del área de montaje necesaria para baterías de capacitores similares que utilizan capacitores de película, MLCC de baja tensión y MLCC de alta tensión. (Fuente de la imagen: TDK Corporation)

En comparación con las alternativas, los MLCC TDK C0G están optimizados para reducir la generación de calor, lo que aumenta la longevidad y mejora la fiabilidad. Son muy adecuados para circuitos resonantes y de supresores, convertidores CC/CC y aplicaciones de carga inalámbrica en automoción y aplicaciones comerciales.

El tamaño compacto de los componentes TDK permite a los diseñadores ofrecer aplicaciones conformes con AEC-2000 más pequeñas y eficientes para la próxima generación de automóviles. Garantizan un rendimiento fiable en condiciones adversas, como choques térmicos, vibraciones y ciclos de temperatura, con un rango de temperatura de -55 a 125 °C.

El MLCC de grado automotriz CGA6P1C0G3B103G250AC ofrece una capacitancia de 10 nF con una tolerancia de ±2%. El dieléctrico C0G proporciona una estabilidad excepcional con la temperatura y puede soportar temperaturas y vibraciones intensas en el compartimento del motor. Son especialmente útiles en circuitos resonantes y supresores de alto voltaje, como los que se encuentran en los sistemas de carga de vehículos eléctricos y en la electrónica de potencia. El CGA6P1C0G3B103J250AC proporciona la misma capacitancia pero con una tolerancia de ±5%.

Los componentes C3225 presentan las mismas características de embalaje y rango de temperaturas, pero son menos costosos y están diseñados para entornos comerciales e industriales más moderados y menos regulados. Al igual que su homólogo de la línea CGA6, el C3225C0G3B103G250AC proporciona una capacitancia de 10 nF y una alta tensión nominal de 1.250 V en el mismo encapsulado 3225 con una tolerancia de capacitancia de ±2%, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de precisión. El C3225C0G3B103J250AC presenta una capacitancia de 10 nF con una tolerancia de ±5%.

Conclusión

Los diseñadores pueden sustituir con confianza los capacitores electrolíticos o de película de mayor tamaño, simplificar el diseño de las placas y mejorar la fiabilidad de los sistemas de alimentación y automoción de última generación con los MLCC C0G. Los MLCC C3225 de TDK para uso comercial y CGA6P C0G para automoción ofrecen una opción atractiva para aplicaciones de alto voltaje y alta fiabilidad con una capacitancia líder en la industria en un encapsulado compacto para una estabilidad excepcional.