面向高功率密度應(yīng)用的I類陶瓷技術(shù)

無論是對(duì)通信、為大量數(shù)據(jù)提供安全可靠的存儲(chǔ)，還是對(duì)電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車運(yùn)輸來說，我們的社會(huì)都越來越依賴于電力。因此，供電保障對(duì)于享受現(xiàn)代生活至關(guān)重要。其中一個(gè)最緊迫的議題就是能源效率——部分原因在于電力成本不斷上升，以及我們希望保護(hù)發(fā)電用的自然資源。當(dāng)轉(zhuǎn)用太陽能、風(fēng)能等新能源，或考慮電子電路的冷卻要求時(shí)，效率是最重要的一個(gè)考慮因素。

無論是對(duì)通信、為大量數(shù)據(jù)提供安全可靠的存儲(chǔ)，還是對(duì)電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車運(yùn)輸來說，我們的社會(huì)都越來越依賴于電力。因此，供電保障對(duì)于享受現(xiàn)代生活至關(guān)重要。其中一個(gè)最緊迫的議題就是能源效率——部分原因在于電力成本不斷上升，以及我們希望保護(hù)發(fā)電用的自然資源。當(dāng)轉(zhuǎn)用太陽能、風(fēng)能等新能源，或考慮電子電路的冷卻要求時(shí)，效率是最重要的一個(gè)考慮因素。

全世界的工程師都在不斷尋求提高設(shè)備效率的方法，這些方法包括高級(jí)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，例如諧振轉(zhuǎn)換器、智能電源管理和新材料的采用。在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，寬帶隙（WBG）器件正開始受到歡迎，它可以讓電源轉(zhuǎn)換器件在更高頻率、更高溫度和更高電壓下工作。隨著開關(guān)速度的增加，電容器和磁性器件等關(guān)鍵元器件的尺寸可以減小，從而可在更高的電源轉(zhuǎn)換效率下提供更大的功率密度。

對(duì)提高效率和功率密度來說，由于開關(guān)半導(dǎo)體器件對(duì)任何電源系統(tǒng)中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)損耗都大有裨益，因此人們把大部分眼光都集中在了這類器件上。然而，在現(xiàn)有基礎(chǔ)上要想實(shí)現(xiàn)小小改進(jìn)卻越來越困難并且成本也越來越高，因此工程師們正在尋找其他方法來提高效率。

雖然許多工程師都認(rèn)為電容器對(duì)于電源設(shè)計(jì)來說只是支持性器件，但越來越多的人卻認(rèn)識(shí)到必須要提高它們的效率，進(jìn)而提高功率密度。在電源設(shè)計(jì)中，電容器在三個(gè)方面會(huì)對(duì)系統(tǒng)效率產(chǎn)生積極影響，每個(gè)方面對(duì)電容器的要求略有不同。

首先，緩沖器可能需要高dV/dT、高紋波電流、高電壓、高溫以及低電感。其次，直流鏈路需要高紋波電流、電壓、溫度和頻率。第三，諧振轉(zhuǎn)換器需要高紋波電流、寬工作電壓范圍，以及隨溫度和交直流電壓變化的電容穩(wěn)定性?？紤]到上述應(yīng)用的綜合要求，電容器應(yīng)具有極低的損耗、高紋波電流處理能力、能夠承受高電壓并接受更高的工作溫度，同時(shí)具有穩(wěn)定的電容和高機(jī)械穩(wěn)定性。為了使用寬帶隙半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)高密度、高效率的電源，必須使采用這些封裝的電容器具有高溫度和機(jī)械穩(wěn)定性。

I類與II類多層陶瓷電容器（MLCC）

在市場(chǎng)上眾多類型的電容器中，陶瓷電容器（特別是多層MLCC）可以提供緩沖器、直流鏈路和諧振應(yīng)用所需的關(guān)鍵特性。MLCC是通過對(duì)金屬電極層和陶瓷電介質(zhì)層進(jìn)行交替而形成。每層代表一個(gè)單獨(dú)的電容器，由于它們是并聯(lián)排列，因此增加層數(shù)可以提供更多的電容。目前生產(chǎn)的絕大多數(shù)MLCC是用賤金屬電極（BME）——具有鎳金屬電極——以及CaZrO3電介質(zhì)（I類）或BaTiO3電介質(zhì)（II類）來制作。

圖1：賤金屬電極MLCC的分解圖

穩(wěn)定性

電介質(zhì)是根據(jù)其在溫度下的電容穩(wěn)定性而進(jìn)行分類。I類包含的電介質(zhì)（C0G、NPO、U2J）對(duì)溫度來說最為穩(wěn)定，但它們的介電常數(shù)（K）最低，為了實(shí)現(xiàn)與更傳統(tǒng)類型的MLCC相同的電容，就需要更大的體積。II類包括的介電材料（X7R、X5R），溫度穩(wěn)定性和K值居中。因此，與I類MLCC相比，II類提供的每單位體積電容更高。盡管II類MLCC具有更高的整體電容，但工程師必須要了解一些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素，從而避免在將它們用于電源應(yīng)用時(shí)造成極大影響。

由于II類MLCC使用的是BaTiO3電介質(zhì)，實(shí)際電容會(huì)受到工作溫度、所加直流偏置和上次加熱（老化）后所過時(shí)間的影響。電容對(duì)溫度的穩(wěn)定性稱為溫度電容系數(shù)（TCC），它可以通過電子工業(yè)聯(lián)盟（EIA）的電介質(zhì)分類（例如“X7R”）來確定。EIA對(duì)X7R的定義是工作溫度范圍為-55℃至125℃，最大電容限值為±15%。X5R具有相同的±15%電容限值，但工作溫度范圍為-55℃至85℃。電容對(duì)電壓（VCC）的穩(wěn)定性也是一個(gè)重要考慮因素，但EIA未對(duì)其進(jìn)行正式定義。但是，對(duì)于更高電容的II類MLCC來說，其電容在額定電壓下可能會(huì)降低多達(dá)80%，這會(huì)對(duì)應(yīng)用產(chǎn)生相當(dāng)大的影響。這種VCC特性也可能因供應(yīng)商而異。除了溫度和電壓之外，電容也會(huì)因上次加熱后所過時(shí)間而減少。這稱為老化，通常在最后一次130℃以上加熱（通常是在制造過程中焊接零件時(shí)）過后每隔十個(gè)小時(shí)會(huì)降低2-5%。

然而，I類電介質(zhì)與II類相比更加穩(wěn)定。C0G等電介質(zhì)的電容漂移僅為30ppm/℃或在125℃時(shí)僅為0.3%，可以忽略不計(jì)，而U2J是750ppm/℃或在125℃時(shí)為7.5%，但卻是線性并可以預(yù)測(cè)。C0G和U2J相對(duì)直流偏置的電容變化均可忽略不計(jì)，并且相對(duì)于時(shí)間（老化）也幾乎沒有變化。這些特性使得I類電介質(zhì)非常適用于諧振應(yīng)用，例如LLC諧振轉(zhuǎn)換器和無線充電電路——在這些應(yīng)用中將電容保持在狹窄的公差范圍內(nèi)非常重要。

等效串聯(lián)電阻

在電源應(yīng)用中，除了電容穩(wěn)定性之外，由于i2R損耗，等效串聯(lián)電阻（ESR）也是電容器的一項(xiàng)重要特性。圖2對(duì)II類X7R與I類C0G/U2J MLCC在從100Hz到100MHz時(shí)的ESR進(jìn)行了對(duì)比。由于BaTiO3是種鐵電材料，因此與I類電介質(zhì)相比，其會(huì)在電介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生疇區(qū)的特性，也會(huì)引起疇壁加熱和ESR增加。因此，II類MLCC與I類相比，通常其ESR會(huì)高出一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

圖2：II類X7R和I類C0G/U2J之間的ESR比較

由于電源應(yīng)用中的交流電流較大，因此MLCC ESR較大會(huì)直接導(dǎo)致過熱。圖3給出了X7R、C0G和U2J MLCC的溫度與交流電流的關(guān)系。數(shù)據(jù)顯示，C0G和U2J在10A時(shí)的自溫升約為15℃，而X7R僅在5A時(shí)溫升就達(dá)到了40℃。

圖3：II類X7R和I類C0G/U2J之間的紋波電流比較

圖4：II類X7R和I類C0G/U2J之間的關(guān)鍵特性比較

I類技術(shù)進(jìn)展

由于采用I類BME電介質(zhì)的MLCC具有高溫穩(wěn)定性、低損耗和高紋波電流能力，因此其顯然是高功率密度應(yīng)用的理想選擇?；离娮樱↘EMET）已使用獲得專利的I類BME CaZrO3電介質(zhì)技術(shù)創(chuàng)建了產(chǎn)品組合，這進(jìn)一步提高了針對(duì)緩沖器、直流鏈路和諧振應(yīng)用的功率處理能力。

這類產(chǎn)品包括C0G高壓商用和汽車等級(jí)系列，可提供500到10,000VDC的寬電壓范圍，并采用0603至4540的EIA外殼尺寸。BME C0G CaZrO3電介質(zhì)可實(shí)現(xiàn)極低的ESR、低ESL、高紋波電流處理能力和高dV/dT。

此電子元器件專家還推出了表面貼裝KC-LINK 3640 220nF 500V陶瓷電容器，它采用CaZrO3介電材料制作，從而獲得了極低損耗的解決方案——ESR值從40kHz到1MHz皆低于4mΩ，在50kHz左右則低至2mΩ。因此，在105℃環(huán)境溫度和0VDC偏置下，其從50kHz到300kHz的典型紋波電流約為20A，如圖5所示。

圖5：KC-LINK阻抗、ESR和紋波電流

KONNEKT技術(shù)

即使應(yīng)用使用高性能I類電介質(zhì)電容器設(shè)計(jì)，通常其也需要提供更高等級(jí)的電容，這需要靠增加電路板面積來實(shí)現(xiàn)。但是，傳統(tǒng)上，增加電路板面積會(huì)降低解決方案的功率密度。因此，基美電子開發(fā)了KONNEKT技術(shù)，這是一種面向高效率、高密度電源應(yīng)用的無引線多層片式解決方案，可以解決這一問題。KONNEKT使用瞬態(tài)液相燒結(jié)（TLPS）工藝來對(duì)I類MLCC進(jìn)行組合，可以使用標(biāo)準(zhǔn)回流焊方法進(jìn)行安裝。附錄中提供了一個(gè)例子，用來說明這項(xiàng)技術(shù)如何能夠提供高功率處理能力。

總結(jié)

汽車和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用涉及大量電力使用，為了降低其運(yùn)營(yíng)成本，提高能源效率就成為現(xiàn)代世界的一個(gè)重要考慮因素。雖然迄今為止大部分開發(fā)工作都集中在電路拓?fù)浜桶雽?dǎo)體性能上，但電容器等無源元件也會(huì)對(duì)電源效率產(chǎn)生重大影響。

在電源應(yīng)用中，包括C0G和U2J在內(nèi)的I類材料具有極佳的穩(wěn)定性，并且由于MLCC性能可以預(yù)測(cè)，因此設(shè)計(jì)人員可以實(shí)現(xiàn)精確公差。KONNEKT技術(shù)等新技術(shù)可以以較小的占位面積提供大容量電容，因此可以顯著提高功率密度。

附錄

Box Out

KONNEKT——面向高效率、高密度電源應(yīng)用

圖6提供了一個(gè)具體示例，它說明可以使用KONNEKT技術(shù)對(duì)三個(gè)U2J 0.47mF F50V1812 MLCC進(jìn)行連接，而以相同的占位面積提供1.4mF的電容。以側(cè)面方式（即“低損耗方向”）放置該組件還可以實(shí)現(xiàn)其他好處——這樣就可以實(shí)現(xiàn)更低的ESR、更低的熱阻和電感（ESL），并最終實(shí)現(xiàn)更高的功率處理能力。

在使用基于U2J電介質(zhì)的1.4mF三MLCC模塊時(shí)，若以標(biāo)準(zhǔn)方向進(jìn)行安裝，ESL為1.6nH，而若以低損耗方向安裝則可下降至僅0.4nH。同樣，在低損耗方向上，ESR也可以下降（從1.3mW減少到0.35mW），這樣就可減少系統(tǒng)損耗并限制元件的溫升。如圖7所示，在20A的紋波電流測(cè)試期間，紅外熱成像顯示標(biāo)準(zhǔn)方向安裝的溫度為65℃，而低損耗方向的溫度僅為35℃。因此，在標(biāo)準(zhǔn)方向上，電流處理降低到11.0A，而低損耗方向則可實(shí)現(xiàn)34.0A。KONNEKT U2J電容器具有極低的ESR和極高的紋波電流，因此對(duì)專為數(shù)據(jù)中心、無線充電和汽車應(yīng)用所設(shè)計(jì)的LLC諧振轉(zhuǎn)換器來說非常適用。以低損耗方向安裝可以讓較少的電能轉(zhuǎn)換為熱量，從而提高能量效率。

圖6：（上）KONNEKT技術(shù)可在相同的占位面積下增加電容，（下）標(biāo)準(zhǔn)方向與低損耗方向?qū)Ρ?/p>

圖7：（左）在20A紋波電流期間標(biāo)準(zhǔn)/傳統(tǒng)方向與低損耗方向KONNEKT U2J的熱成像對(duì)比，（右）電氣特性

（來源：基美電子（KEMET），作者：Mark Laps）