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Combinación de distancia de fuga y miniaturización en accionamientos de alta tensión para el automóvil

Los inversores y sistemas de carga instalados en vehículos híbridos o totalmente eléctricos ofrecen un claro ejemplo de aplicación de alta tensión que se enfrenta a limitaciones extremas en cuanto a espacio. Si bien se utilizan condensadores cerámicos multicapa (multilayer ceramic capacitors, MLCC) como filtros en las líneas de alta tensión, la presión por miniaturizar puede llevar a los diseñadores a seleccionar dispositivos con formatos del tamaño más pequeño disponible, como 0603. Por ejemplo, un dispositivo de tamaño chip 0603 ocupa una superficie en la placa un 75% más pequeña que un MLCC de tamaño 1206. Sin embargo, estas carcasas de menor tamaño suponen un reto para que los fabricantes de dispositivos maximicen la capacidad dentro del volumen reducido del encapsulado, además de asegurar su fiabilidad. Por lo que respecta a la fiabilidad, la distancia más corta entre los terminales del dispositivo representa un mayor riesgo de que la distancia de fuga (creepage), es decir, la tendencia natural de que un campo eléctrico se propague sobre una superficie dieléctrica, permita que se forme un arco entre los terminales (figura 1) cuando se aplica la máxima tensión de trabajo al dispositivo. El resultado puede ser un fallo del condensador y puede ocasionar daños térmicos a los otros componentes cercanos. Factores como una elevada humedad atmosférica o la contaminación sobre la superficie del componente pueden aumentar la probabilidad de que se forme el arco.

Análisis del fenómeno del arco

 Cuando se aplica una alta tensión de polarización CC a un MLCC de alta tensión se genera una diferencia de potencial entre los terminales opuestos y la estructura del electrodo opuesto. Simultáneamente se produce una concentración del campo eléctrico en la zona de terminales y el primer contraelectrodo respectivo dentro del MLCC, como ilustra la figura 2. Esta diferencia de potencial se empieza a generar a lo largo de la superficie del chip e ioniza el aire situado por encima cuando se alcanza el nivel de descarga eléctrica del aire. Una vez alcanzada la tensión de inicio del aire ionizado se crea una vía conductora, permitiendo así que se descargue la energía en el campo eléctrico concentrado en la zona de terminales. Esta descarga de energía de desplaza por el aire a lo largo de la superficie, del condensador y hasta la zona de menor potencial, en lugar de atravesar el condensador. Durante la descarga, un arco eléctrico visible y audible atraviesa la superficie del chip. Este tipo de arco puede surgir al aplicar tensiones de unas 300V o más. En algunos condensadores de alta tensión su valor puede ser inferior a la tensión nominal del dispositivo. Si el arco se forma entre la superficie de un terminal y a través del material dieléctrico de la estructura cerámica hasta el primer contraelectrodo interno, esto suele generar una ruptura dieléctrica del condensador que da como resultado un cortocircuito que acaba en una avería catastrófica.

Cómo evitar que se formen arcos

Los suministradores de condensadores han puesto en práctica diversos métodos para evitar que se formen arcos. Uno de ellos consiste en aplicar un revestimiento de polímero o cristal a lo largo de la superficie del chip para rellenar cualquier hueco y disponer de una superficie lisa que presente una menor susceptibilidad a la propagación del campo eléctrico. Rellenar estos huecos con material aislante también contribuye a eliminar contaminantes y a mejorar la estabilidad dieléctrica por toda la superficie del chip. Al mejorar la estabilidad se reduce la ionización del aire y aumenta la tensión de inicio por la superficie, lo cual reduce el potencial de que se generen arcos y mejora las prestaciones del condensador desde el punto de vista de la tensión. Desde hace décadas los diseñadores han utilizado revestimientos de la superficie en placas de circuito impreso para aplicaciones de alta tensión. Esta tecnología ha demostrado su validez para aumentar las prestaciones, pero su principal inconveniente es el coste que supone aplicar el revestimiento. Esto ha hecho que muchos diseñadores traten de evitar este coste a menos que se considere absolutamente necesario para cumplir determinados estándares de seguridad eléctrica. Otro inconveniente es que el revestimiento de la superficie se puede dañar durante los procesos de manipulación y montaje. Una brecha en el revestimiento reduce en la práctica la distancia de fuga a lo largo de la superficie, haciendo así que el condensador sea susceptible a la contaminación y se puedan producir arcos por encima (figura 3). Además, cuando se escoge un dispositivo al que ya se haya aplicado un revestimiento, es importante asegurarse de que el material del revestimiento es compatible con todos los materiales, procesos y condiciones de montaje aplicables. La incompatibilidad podría provocar daños o el fallo prematuro del revestimiento de la superficie. También hay que tener el espacio entre electrodos bajo los componentes montados, así como los huecos encima y debajo del epoxy. Estos espacios y huecos permiten el mismo potencial de que se forme un arco que un dispositivo sin revestimiento.

Electrodo en serie

Una técnica alternativa, como muestra la figura 4, es la construcción de un “electrodo en serie”. La primera parte del diagrama indica cómo se pueden conectar en serie cinco condensadores de 1000V 1000μF para formar un conjunto que aumente en la práctica la capacidad de ruptura hasta 5000V, aunque el campo eléctrico total sea el mismo que para un solo condensador. No obstante, tiene como inconveniente que la capacidad total se ve reducida a 200μF. La segunda parte del diagrama muestra el bloque completo de condensadores colocado en una sola estructura monolítica con las mismas características que los cinco dispositivos en serie. KEMET ha implementado una tecnología de electrodo flotante o electrodo en serie en varias familias de dispositivos con valores de capacidad baja a media. Estos dispositivos se basan en un diseño de electrodo interno en cascada que en la práctica forma múltiples condensadores en serie en el interior del dispositivo. Si bien reduce la susceptibilidad de arcos sobre la superficie, este tipo de conexión en serie también es muy efectivo como tecnología que mitiga el riesgo de rotura por flexión y reduce el riesgo de que el condensador falle debido a un cortocircuito. Una rotura por flexión no puede cruzar los electrodos desde ambos extremos del condensador; solo puede cruzar electrodos que se originen en un extremo del condensador y en los electrodos flotantes entre dos zonas activas. Incluso si una fractura se propaga a través de una de las zonas activas, el dispositivo podría perder capacidad pero generalmente no se cortocircuitará ya que no hay una vía conductora entre los electrodos conectados a los terminales opuestos. Por este motivo el electrodo flotante falla en abierto.

ArcShield

Un electrodo interno de protección añadido, como el mostrado en la figura 5, se opone a los efectos que puede provocar un arco sobre la superficie y no presenta los inconvenientes conocidos del revestimiento o el electrodo en serie. Los electrodos de protección forman una barrera al arco entre terminales que se observa en los diseños estándar. En un diseño estándar, el campo eléctrico en la superficie está muy cerca del terminal, lo cual reduce la barrera de energía para que se produzcan arcos a través de la superficie. El diseño de ArcShield tiene una barrera de mayor energía debido a la presencia del electrodo de protección de polaridad similar a la del terminal. Cuando se aplica una elevada tensión de polarización a un MLCC ArcShield se establece una diferencia de potencial entre los terminales opuestos y la estructura del electrodo opuesto, pero la concentración del campo eléctrico se localiza en los electrodos de protección en lugar de la superficie del terminal y su primer contraelectrodo respectivo. Esto minimiza la diferencia de potencial a lo largo de la superficie del chip y mejor enormemente la capacidad de la distancia de fuga, incluso en los dispositivos de menor tamaño y cuando la superficie dieléctrica presenta una alta porosidad.

Revisión de los efectos de la protección

Un MLCC X7R estándar de superposición es vulnerable a tres mecanismos básicos de fallo por alta tensión: arco entre un terminal y el electrodo más cercano de polaridad opuesta, arco entre terminales y ruptura interna. Los MLCC ArcShield de KEMET solucionan estos mecanismos de fallo añadiendo un electrodo de protección que evita la formación de arcos entre terminales y cualquier electrodo cercano de polaridad opuesta. Los dispositivos también incorporan zonas activas de mayor grosor que aumentan en la práctica la tensión de ruptura. Puede aparecer un arco sobre la superficie con tensiones a partir de 300V, especialmente para los formatos de menor tamaño. Al aplicar la tecnología ArcShield a formatos más pequeños como 1206 (figura 6) y 0805 o 0603 (tabla 1) el resultado es una elevada tensión de ruptura y unos resultados fiables de las pruebas de duración. Los resultados indican que los condensadores pueden resistir tensiones muy superiores a las habituales en inversores o cargadores de baterías en vehículos híbridos/eléctricos, lo cual indica que los MLCC X7R de alta tensión en formatos a partir de 0603 se pueden utilizar de forma segura. Se puede encontrar más información sobre los condensadores ArcShield™ en www.kemet.com/arcshield.



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