电源工程师为什么都爱用MLCC?本文的分析很到位~

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作者:Majeed Ahmad,文章来源:得捷电子DigiKey

从物联网 (IoT) 的数据服务器到电动汽车 (EV),电源系统设计人员总会面临的共同压力是如何实现更高的功率密度和转换效率。尽管人们将更多精力放在实现这些改进目标的半导体开关器件上,但多层陶瓷电容器 (MLCC) 的固有特性意味着它们也可以在帮助设计人员满足设计要求方面发挥重要作用。这些特性包括低损耗、高电压和纹波电流处理能力、高耐压能力以及极端工作温度下的高稳定性。

本文介绍了MLCC的结构以及陶瓷电容器如何增强DC和AC供电轨的功率处理能力,同时还对快速开关模式半导体进行了补充说明。本文还阐明了I类和II类电介质,以及这些材料如何使微型MLCC能够用于诸如缓冲器和谐振转换器之类的电力系统。

MLCC是如何制造的?

MLCC是由陶瓷介电层和金属电极的交替层构成的单片器件(图1)。MLCC中的叠层是在高温下制成,以生产出具有高体积效率的烧结电容器件。接下来,在器件的裸露端集成一个导电性端接隔离系统,从而完成连接。

按照温度稳定性和介电常数分类的陶瓷电介质

图1:按照温度稳定性和介电常数分类的陶瓷电介质。(图片来源:KEMET)

陶瓷是非极性器件,容积效率更高,可以在更小的封装尺寸内实现更高的电容。此外,这种器件在高频工作时更可靠。这使得MLCC可以将电介质、端接系统、外形和屏蔽性能正确地组合在一起。

尽管如此,在为高功率密度应用选择陶瓷电容器时,设计人员仍然需针对一些问题进行严格评估。首先,工作温度、所施加的DC偏置和上次加热后经过的时间都会影响电容。例如,上次加热后经过的时间会引起电容变化,并导致电容器老化(图2)。

以“电容时间百分比”形式表示的老化率

图 2:以“电容时间百分比”形式表示的老化率。(图片来源:KEMET)

更重要的是,由于每个电容器都有一定的阻抗和自感,因此快速开关IGBT或MOSFET半导体器件产生的纹波会影响到性能。因此,当逆变器之类的设备偶尔需要大电流时,就必须通过电容器限制波动,这需要较高的纹波电流承受能力。

然后是电容器的有效串联电阻 (ESR),该特性至关重要,表示在给定频率和温度下规定的内部总电阻。通过最小化ESR,设计人员可以减少发热造成的功耗。

接下来,低有效串联电感 (ESL) 会增加工作频率范围,并使陶瓷电容器进一步小型化。低ESR和低ESL共同提高电容器的功率处理能力,并使器件寄生效应最小化。而且,它们有助于降低损耗,从而使电容器能够在高纹波电流水平下工作。

另一个关键的设计考虑因素是电介质材料的选择。这将确定电容随温度变化的性能(图3)。虽然I类电介质材料(例如C0G和U2J)提供了更高的温度稳定性电介质,但它们的介电常数(K)较低。另一方面,II类材料(例如X7R和X5R)具有中等范围的稳定性以及K值,而且还具有更高的电容值。

I 类和II类电解质电介质材料的主要区别在于特定温度下电容的变化幅度

图3:I 类和II类电解质电介质材料的主要区别在于特定温度下电容的变化幅度。(图片来源:KEMET)

然而,对于快速开关电源系统,工作频率越高,输送功率所需的电容越低。这使得K值较低的陶瓷电容器可以代替笨重的高电容薄膜电容器,从而显著提高功率密度。这种陶瓷电容器的基底面较小,因此可以安装在更靠近快速开关半导体的位置,而且在高功率密度应用中所需的冷却最少。

I类电介质材料MLCC

KEMET的KC-LINK电容器,例如CKC33C224KCGACAUTO(0.22微法拉(μF),500V)、CKC33C224JCGACAUTO(0.22μF,500V)和CKC18C153JDGACAUTO(15纳法(nF),1000V)便是很好的例子。这类电容器使用1级锆酸钙电介质材料,有助于实现极其稳定的工作,而不会因开关频率、所施加的电压或环境温度而引起电容损失。因为电容不会随时间发生变化,因此低损耗锆酸钙电介质材料还能最大程度减少老化效应。

KC-LINK电容器利用C0G电介质技术实现了非常低的ESR并能够管理非常高的纹波电流,而这恰恰是高功率密度设计所必需的。高机械强度使这些I类陶瓷电容器在安装时无需使用引线框架,这也导致了极低的ESL。

这种陶瓷电容器可以在非常高的纹波电流下工作,且电容与DC电压相比没有变化,而电容在-55°C至150°C工作温度范围内的变化可忽略不计。它们的电容值范围为4.7nF至220nF,额定电压范围为500V至1,700V(图4)。

KC-LINK陶瓷电容器

图4:在150°C工作温度下,在需要最小冷却的高功率密度应用中,KC-LINK陶瓷电容器可以置于靠近快速开关模式半导体的位置。(图片来源:KEMET)

此处值得注意的是,基于1类电介质材料的KC-LINK电容器提供的片上电容要比同等大小的2类电容器低。因此,如果需要更多的电容,则可以将多个KC-LINK电容器结合在一起,形成一个整体结构,以形成具有更高密度的封装。

电容器合并的结果是一种类似于KC-LINK的低噪声解决方案,但电容增加多达125%。KEMET的KONNEKT表面贴装电容器也基于I类电介质材料,可提供100皮法(pF)至0.47µF的较高电容。这种电容器在额定电压下仍可保持其99%以上的标称电容,且非常适合对时序要求严格的应用、受温度循环和电路板弯曲限制的应用。

通过叠接MLCC获得更大电容

KONNEKT陶瓷电容器(包括C1812C145J5JLC7805、C1812C944J5JLC7800和C1812C944J5JLC7805)是通过垂直或水平叠接两到四个陶瓷电容器而成,同时保持了各个器件的完整性。C1812C944J5JLC7800陶瓷电容器通过叠接两个器件可提供0.94µF电容,而C1812C145J5JLC7805陶瓷电容器通过将三个器件叠接在一起将电容提高至1.4µF。

这些MLCC利用瞬态液相烧结 (TLPS) 材料将组件端接部分粘结在一起,从而构建出一种无铅多片解决方案。无铅多片解决方案使电容器与现有的回流工艺兼容。TLPS是一种由铜锡材料制成的金属基复合材料粘接剂,用于替代焊料。这种材料在两个表面(此处为U2J层)之间形成冶金结合。

鉴于电容器可以在两个方向上集成这一事实,设计人员可最大限度减少组件基底面并最大限度增大堆叠式MLCC器件的总电容(图5),从而使KONNEKT陶瓷电容器能够达到以前只有II类电介质材料时(例如X5R和X7R)才能实现的电容范围。

可以通过MLCC叠接来增大电容,并沿低损耗方向放置以降低ESR和ESL

图5:可以通过MLCC叠接来增大电容,并沿低损耗方向放置以降低ESR和ESL。(图片来源:KEMET)

在沿低损耗方向上,只有较少的电能转化为热量,从而提高了能效并进一步增强了电容器的功率处理能力。沿低损耗方向还降低了ESR和ESL,从而提高了陶瓷电容器处理纹波电流的能力。

TLPS材料与超稳定电介质相结合,使陶瓷电容器能够处理数百个千赫兹范围内的极高纹波电流。例如,对于1812C145J5JLC7805 U2J 1.4μFKONNEKT电容器,沿标准方向安装时ESL为1.6纳亨(nH),而在沿低损耗方向上安装时则降低至0.4nH。同样,在沿低损耗方向上,ESR从1.3毫欧 (mΩ) 降低至0.35 mΩ,从而降低了系统损耗并限制了温升。

KEMET的U2J KONNEKT表面贴装电容器在–55°C至+125°C范围内将其电容变化限定为–750±120 ppm/°C。这使得U2J陶瓷电容器的电容相对于DC电压的变化可忽略不计,并且电容相对于环境温度的线性变化可预测。

AC线路陶瓷电容器

以上各节中提到的陶瓷电容器可稳定并平滑DC电源轨上的电压、电流,从而防止因快速开关操作而导致去耦尖峰。但是,陶瓷电容器也用在交流线路滤波、交流/直流转换器和功率因数校正 (PFC) 电路中。

在此,请务必注意,AC线路陶瓷电容器有安全和非安全级格式。尽管安全级电容器可以抑制电气噪声并保护设计免受过电压、瞬变的影响,但这些通过安全认证的MLCC却无法提供更高的电容/电压(CV) 等级。

具有各种尺寸和CV值的非安全级AC陶瓷电容器可在AC线路条件下连续使用。KEMET的 CAN系列陶瓷电容器符合50/60Hz线路频率、250VAC交流线路条件和其他非安全应用的要求。

CAN系列AC线路电容器在较高频率下具有低泄漏电流和低ESR

图6:CAN系列AC线路电容器在较高频率下具有低泄漏电流和低ESR。(图片来源:KEMET)

AC线路电容器在较高频率下具有低泄漏电流和低ESR(图6)。该系列既适用于线对线(X类),又适用于线对地(Y类)应用,并且符合IEC 60384标准中的脉冲规定。

CAN系列陶瓷电容器均采用了X7R和C0G电介质材料。如DC链路电容器所示,C0G电介质相对于时间和电压均未出现电容变化,而且相对于环境温度而言电容变化可忽略。另一方面,在诸如CAN12X153KARAC7800和CAN12X223KARAC7800等的陶瓷电容器中,X7R在相对于时间和电压时,电容变化可预测,而且由于环境温度而导致的电容变化最小。

CAN12X153KARAC7800陶瓷电容器的电容为0.015µF,而CAN12X223KARAC7800器件的电容为0.022µF。这两种MLCC器件的容差都是10%。

总结

随着功率传输系统的体积不断缩小以及将更多功率器件封装在更小的尺寸内,MLCC在从服务器电源到无线充电器,再到逆变器的设计中发挥着至关重要的作用。它们可平滑DC和AC电压、稳定电流纹波,并确保寻求提高转换效率的电源设计具有热管理性能。如本文所示,通过选择I类或II类电介质材料,设计人员能够根据特定应用需求来调节MLCC的电容和其他关键参数(如ESR和ESL)。

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