Querida, Encolhi a Capacidade

Ao selecionar um capacitor para uma aplicação específica, é essencial considerar mais do que apenas a capacitância e a tensão. Outras características importantes incluem a estabilidade de temperatura, a indutância em série equivalente (ESL) e a resistência em série equivalente (ESR).

Se você apenas der uma olhada superficial em um datasheet, pode não notar esses detalhes, mas eles podem impactar drasticamente o desempenho do seu sistema. Vamos usar os capacitores cerâmicos de múltiplas camadas (MLCCs) como exemplo.

A Armadilha do Efeito de Polarização DC

A capacitância diminui quando você aplica uma tensão DC em MLCCs com um dielétrico ferroelétrico de Classe II baseado em titanato de bário. Isso também é conhecido como efeito de polarização DC, e o mesmo acontece quando a temperatura oscila.

Por exemplo, para uma tensão operacional de 400V, a capacitância real de um componente de 630V cai cerca de 70% do seu valor nominal devido ao efeito de polarização DC. Portanto, nesse cenário, um capacitor cerâmico de 220nF com dielétrico de Classe II transforma-se em um de apenas 63,8nF (Figura 1). Este é um fato crucial para muitos projetos, e a situação se agrava com as variações de temperatura.

Capacitores cerâmicos baseados em um dielétrico antiferroelétrico, como o titanato de zirconato de lantânio e chumbo (PLZT), diferem dos MLCCs com dielétrico de classe II.

Como mostrado na Figura 2, a capacitância aumenta com a tensão de polarização DC aplicada e com o ripple AC, mas também depende da temperatura de operação. A linha vermelha indica como a capacitância muda com um ripple AC muito baixo, enquanto a linha preta mostra como o componente se comporta quando você aplica uma tensão de 0V até a tensão nominal (ex: aplicação de snubber).

Fica claro como o ripple afeta a capacitância — quanto maior este valor, maior a capacitância, o que é uma vantagem em aplicações de eletrônica de potência.

Devido ao seu baixo ESR em frequências mais altas (Figura 3), os capacitores baseados em PLZT são ideais para uso em links DC e aplicações de snubber, ou circuitos de filtro em aplicações de alta tensão e alta temperatura, como os sistemas de potência de veículos elétricos (xEVs). Nesses casos, eles conseguem reduzir os efeitos da indutância parasita.

Esses capacitores podem ser posicionados próximos a um transistor de potência, o que ajuda a garantir que a tensão não sofra sobretensões excessivas (overshoots) que poderiam danificar o semicondutor. Um capacitor cerâmico é um componente fundamental de um circuito snubber, já que armazena o excesso de energia da indutância parasita quando o transistor é desligado. O mesmo se aplica ao momento da ativação (turn-on), quando as capacitâncias parasitas do transistor precisam ser carregadas instantaneamente.

Posicionar um capacitor cerâmico próximo ao semicondutor, em paralelo com o capacitor principal do link DC, permite fornecer essa corrente de forma imediata. Caso contrário, o capacitor de barramento precisaria fornecer essa corrente sozinho, uma solução que apresenta maior indutância parasita — o que nunca é uma boa notícia.

Em aplicações de alta temperatura, como sistemas de potência de veículos elétricos (xEVs), as altas demandas de potência só podem ser atendidas se forem adotadas medidas extras de resfriamento para os capacitores de barramento. Capacitores de filme de polipropileno (PP) oferecem a densidade de energia necessária, mas não apresentam bom desempenho em temperaturas elevadas. Isso significa que você precisaria dissipar calor adicional para garantir que eles permaneçam resfriados o suficiente. No entanto, os capacitores SMD CeraLink da TDK são projetados para oferecer alto desempenho mesmo em altas temperaturas, eliminando a preocupação com resfriamento extra.

Conversores que utilizam semicondutores de comutação rápida, como o carbeto de silício (SiC) ou o nitreto de gálio (GaN), operam muito bem com capacitores baseados em PLZT. A ESR de um capacitor é baixa, mas não desprezível, e os ciclos constantes de carga e descarga causam o aquecimento interno do componente. Como consequência, a vida útil dele pode ser reduzida. Entretanto, a ESR dos capacitores baseados em PLZT diminui conforme a temperatura e a frequência de comutação aumentam, permitindo que eles forneçam correntes muito mais altas em aplicações reais.

Vantagem no Custo do Sistema

Capacitores baseados em PLZT custam cerca do dobro do preço de MLCCs com dielétrico de classe II. Mesmo assim, eles podem ser um negócio melhor?

Vamos comparar o CeraLink B58043E9563M052 (56nF/900V) com MLCCs (ambos de 1000V) com o mesmo tamanho de invólucro (case 2220) em diferentes soluções de MLCC, conforme mostrado na Tabela 1. Devido ao efeito de polarização DC (DC-bias), os MLCCs com dielétrico de classe II atingem apenas 12,6nF e 25,9nF, respectivamente. Você precisará de três a quatro deles em paralelo, mas um único componente baseado em PLZT dará conta do recado.

Tabela 1: Comparação entre as soluções CeraLink e MLCC para uma aplicação de snubber com requisito de 50nF a 800V. (Preços obtidos na Mouser em 15 de janeiro de 2025.)

Embora o capacitor baseado em PLZT custe cerca do dobro dos MLCCs, ele apresenta um melhor custo-benefício para esta aplicação neste ponto de operação. Além disso, a vantagem econômica aumenta ainda mais quando se leva em conta a área da placa de circuito impresso (PCI) e os custos de montagem. Isso pode gerar uma economia de até 60% no custo, pelo menos neste exemplo.

O capacitor baseado em PLZT também possui uma maior capacidade de corrente de ripple no nível do componente. Ele pode suportar até 5,0A a 100kHz e +85°C, ao passo que o MLCC suporta apenas 1,17A sob as mesmas condições. Portanto, quatro MLCCs conectados em paralelo conseguem lidar com 4,68A, o que é ligeiramente inferior à capacidade de um único CeraLink.

Conclusão

Capacitores cerâmicos baseados em PLZT, como o CeraLink da TDK, diferem dos capacitores comuns com dielétrico de Classe II porque sua capacitância aumenta tanto com a tensão de polarização DC quanto com a temperatura até o ponto de operação. Essa característica única os torna a escolha ideal para a supressão de picos de tensão.

Sua baixa ESL oferece suporte a conversores com semicondutores de banda larga (wide-bandgap) de comutação rápida, e sua alta capacidade de corrente de ripple — resultado da baixa ESR em altas frequências e temperaturas — demonstra o quão versáteis eles são.

Além da utilidade prática, o CeraLink também pode tornar suas soluções mais econômicas ao reduzir ou até eliminar a necessidade de gerenciamento térmico. Isso se traduz em custos de sistema reduzidos e em um produto final menor e mais leve.

Artigo escrito por Ralf Higgelke para a TDK e publicado no blog da Mouser Electronics: Honey, I Shrunk the CapacityTraduzido pela Equipe Embarcados. Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados