Fino a non molto tempo fa era necessario il ricorso a condensatori elettrolitici in alluminio o a film nei circuiti di potenza utilizzati nei veicoli ibridi ed elettrici di tipo ibrido. In queste applicazioni è necessario utilizzare condensatori di livellamento caratterizzati da valori di capacità dell'ordine di decine o migliaia di μF. Tali condensatori devono essere in grado di resistere a correnti (ripple current) particolarmente elevate e operare in un ambiente ostile come quello automobilistico. Un condensatore miniaturizzato ceramico multistrato (MLCC) abbastanza grande da poter essere utilizzato in applicazioni ad alta tensione non era ancora disponibile. Inoltre un condensatore di questo tipo non era in grado di garantire la corrente di ondulazione massima ammissibile richiesta nelle applicazioni dove sono in gioco alti valore di corrente.
I ricercatori di Murata erano convinti di riuscire a mettere a punto un condensatore MLCC con caratteristiche tali da proporsi come valida alternativa ai condensatori tradizionali (a film ed elettrolitici) nelle applicazioni di elettronica di potenza. Per questo progetto è stato sviluppato un nuovo materiale a bassa perdita con proprietà differenti da quelle di ogni altro materiale utilizzato per la realizzazione degli MLCC. In questo modo Murata è riuscita a realizzare la serie EVC, formata da condensatori di dimensioni 50 volte superiori rispetto a quelle dei più grandi condensatori mai prodotti dalla medesima società.
Realizzazione e principali proprietà
La serie EVC risulta formata principalmente dal materiale a bassa perdita sviluppato da Murata. Da un capo all'altro del materiale ceramico è presente una rete di elettrodi interni di nickel, collegati a un elettrodo esterno in rame a sua volta connesso a terminali metallici uniti mediante un materiale privo di piombo (lead-free). Per qualsiasi componente ceramico di ampie dimensioni, fenomeni di cracking una volta collocati sulla scheda rappresentano senza dubbio un problema. I terminali del condensatore devono essere dunque progettati in modo tale da impedire il verificarsi di tali fenomeni quando il componente è montato sulla scheda e viene sottoposto a sollecitazioni di natura meccanica.
Come si può dedurre dal grafico che riporta la tensione nominale in funzione della capacità, i condensatori della serie EVC vanno ad occupare un'area solitamente riservata ai condensatori a film. Per questo motivo i condensatori della linea EVC rapprendano una nuova classe di condensatori. Il particolare materiale utilizzato, caratterizzato da basse perdite ed elevata capacità, consente di ottenere una corrente di ripple ammissibile per unità di volume di 1.56A/cm3, superiore di uno e due ordini di grandezza rispetto a quella rispettivamente dei condensatori a film e dei condensatori elettrolitici in alluminio. Poiché la corrente di ripple ammissibile è decisamente più alta, i progettisti possono sostituire i tradizionali condensatori elettrolitici o a film con condensatori MLCC caratterizzati da valori di capacità inferiori, che possono essere montati in prossimità di altri componenti in virtù della minore generazione di calore che li contraddistingue. In alcune applicazioni questi nuovi condensatori di Murata possono consentire l'uso di sistemi di raffreddamento più semplici.
La capacità per unità di volume di questi componenti è sicuramente degna di nota. Essa risulta pari a 2.4µF/cm3, un valore decisamente superiorie rispetto ai 1.2µF/cm3 dei condensatori a film e ai 1.89µF/cm3 dei condensatori elettrolitici in alluminio. Ciò significa che nonostante le dimensioni relativamente ampie (32 x 40 x 4 mm), questi MLCC risultano essere più piccoli rispetto agli analoghi componenti elettrolitici in alluminio e a film.
Una tecnologia per le auto del futuro
La nuova tecnologia messa a punto da Murata risulta particolarmente adatta per i veicoli elettrici e quelli di tipo ibrido che richiedono l'uso di componenti caratterizzati da elevati valori di tensione e corrente nominali, dimensioni ridotte ed eccellenti proprietà dal punto di vista termico. In un sistema di propulsione di un veicolo elettrico ibrido l'alimentazione proviene sia dal propulsore (engine) sia dal motore elettrico. Il sistema è caratterizzato dalla presenza di due inverter,il primo che pilota il motore elettrico e l'altro l'unità di climatizzazione. Entrambi gli inverter devono gestire tensioni dell'ordine di 400 V. In inverter di questo tipo vengono solitamente impiegati condensatori a film come condensatori per lo smorzamento di fenomeni transitori (snubber). I condensatori in film e in alluminio sono contraddistinti da una bassa resistenza al calore poiché entrambi contengono materiale di tipo organico. I condensatori della linea EVC, per contro, sono realizzati interamente con materiale inorganico, ragion per cui possono vantare una resistenza intrinseca molto elevata alle alte temperature. I condensatori MLCC, inoltre, assicurano una migliore protezione contro fenomeni di sovratensioni transitorie (surge) rispetto ai condensatori a film grazie ai ridotti valori di resistenza e induttanza equivalente serie (ESR ed ESL rispettivamente). La disponibilità di condensatori della serie EVC con valori di tensione nominale di parecchie centinaia di volt ha favorito la loro diffusione nel settore dei veicoli elettrici.
Lo scooter elettrico
Questi condensatori per esempio sono stati utilizzati in un modello di scooter elettrico di recente introdotto sul mercato. Questo scooter, alimentato esclusivamente tramite batterie, può raggiungere una velocità massima di 100 km/h, impiega 6,8 s per accelerare da 0 a 80 km/h e con una carica di due ore può percorrere 68 miglia. Naturalmente, le emissioni sono nulle. Il sistema di conversione della potenza dello scooter utilizza cinque condensatori EVC, integrati a bordo di una scheda utilizzata per il livellamento dell'inverter. I condensatori vengono impiegati per ridurre i fenomeni di sovratensione provocati dagli IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Le proprietà dei condensatori MLCC permettono di ridurre in modo considerevole le sovratensioni transitorie che si verificano nel momento in cui l'IGBT commuta e ciò potrebbe essere sufficiente per consentire una diminuzione della tensione di lavoro dell'IGBT stesso. Si avrebbe quindi una diminuzione delle dimensioni dell'IGBT che, abbinata a una riduzione di quelle del condensatore di livellamento, può avere effetti favorevoli sulla riduzione delle dimensioni complessive del'inverter.
Il Kers nella Formula 1
Un'altra applicazione che fa ricorso ai condensatori della serie EVC è il sistema KERS (Kinetic Energy Recovery System) sviluppato da un'importante azienda italiana operante nel settore automobilistico per le macchine di Formula 1. La compattezza dimensionale e il peso ridotto di questo sistema sono ascrivibili all'uso di componenti avanzati come appunto i condensatori di Murata. A causa delle modifiche apportate ai regolamenti tecnici della Formula 1, i sistemi KERS sono stati ammessi a partire da questa stagione. Questi sistemi permettono di immagazzinare energia che altrimenti verrebbe dissipata durante la frenata. Tale energia può quindi essere rilasciata per fornire potenza aggiuntiva su richiesta. Le nuove regole entrate in vigore permettono l'immagazzinamento di 400 kJ di energia per ogni giro che deve essere erogata a 60 kW massimo. Ciò si traduce in pratica in un aumento di velocità per un periodo di 6,7 secondi nel corso di ogni giro: l'obbiettivo è che l'aggiunta di tali sistemi potrà rendere ancora più spettacolari le gare di Formula 1, in particolar modo per quel che riguarda i sorpassi.
I progettisti di questo sistema KERS hanno deciso di utilizzare i componenti della serie EVC per il circuito elettronico di conversione della potenza in virtù del fatto che questi condensatori assicurano migliori prestazioni in termini di corrente di ondulazione e sono ospitati in package caratterizzati da dimensioni contenute e, soprattutto, peso ridotto. Il peso del sistema KERS, in particolare, assume un'importanza critica poiché la distribuzione dei pesi all'interno della carrozzeria del veicolo è un elemento determinante per le prestazioni del veicolo stesso. Le ridotte dimensioni sono ascrivibili alla tecnologia dei materiali ceramici messa a punto da Murata, che ha permesso di produrre dispositivi contraddistinti da elevati valori di capacità per unità di volume.
L'utilizzo in questa applicazione è una chiara dimostrazione dell'affidabilità dei condensatori EVC in ambienti estremamente severi. Questi componenti si distinguono per l'elevata resistenza intrinseca alle alte temperature: essi mantengono le loro prestazioni in termini di ripple sull'intero intervallo di temperatura operativa previsto per applicazioni automobilistiche, ovvero fino a 125 °C. Poiché i team di Formula 1 spesso sviluppano idee e tecnologie che vengono successivamente trasferite sulle automobili di serie, questa iniziativa si propone in parte di incoraggiare questi team a sviluppare tecnologie sempre più “verdi”. Attraverso lo sviluppo del sistema KERS e al contributo all'evoluzione dell'elettronica per i veicoli elettrici, Murata è in prima fila nel fornire un valido contributo alla protezione dell'ambiente.
