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作者：Mark Laps，基美電子（KEMET） 無論是對通信、為大量數據提供安全可靠的存儲，還是對電動和混合動力電動汽車運輸來說，我們的社會都越來越依賴于電力。因此，供電保障對于享受現代生活至關重要。其中一個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，以及我們希望保護發電用的自然資源。當轉用太陽能、風能等新能源，或考慮電子電路的冷卻要求時，效率是最重要的一個考慮因素。 全世界的工程師都在不斷尋求提高設備效率的方法，這些方法包括高級電路拓撲結構，例如諧振轉換器、智能電源管理和新材料的采用。在功率半導體領域，寬帶隙（WBG）器件正開始受到歡迎，它可以讓電源轉換器件在更高頻率、更高溫度和更高電壓下工作。隨著開關速度的增加，電容器和磁性器件等關鍵元器件的尺寸可以減小，從而可在更高的電源轉換效率下提供更大的功率密度。 對提高效率和功率密度來說，由于開關半導體器件對任何電源系統中的靜態和動態損耗都大有裨益，因此人們把大部分眼光都集中在了這類器件上。然而，在現有基礎上要想實現小小改進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為電容器對于電源設計來說只是支持性器件，但越來越多的人卻認識到必須要提高它們的效率，進而提高功率密度。在電源設計中，電容器在三個方面會對系統效率產生積極影響，每個方面對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定性�？紤]到上述應用的綜合要求，電容器應具有極低的損耗、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，同時具有穩定的電容和高機械穩定性。為了使用寬帶隙半導體實現高密度、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械穩定性。 I類與II類多層陶瓷電容器（MLCC） 在市場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、直流鏈路和諧振應用所需的關鍵特性。MLCC是通過對金屬電極層和陶瓷電介質層進行交替而形成。每層代表一個單獨的電容器，由于它們是并聯排列，因此增加層數可以提供更多的電容。目前生產的絕大多數MLCC是用賤金屬電極（BME）——具有鎳金屬電極——以及CaZrO3電介質（I類）或BaTiO3電介質（II類）來制作。 圖1：賤金屬電極MLCC的分解圖 穩定性 電介質是根據其在溫度下的電容穩定性而進行分類。I類包含的電介質（C0G、NPO、U2J）對溫度來說最為穩定，但它們的介電常數（K）最低，為了實現與更傳統類型的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鍵的設計考慮因素，從而避免在將它們用于電源應用時造成極大影響。 由于II類MLCC使用的是BaTiO3電介質，實際電容會受到工作溫度、所加直流偏置和上次加熱（老化）后所過時間的影響。電容對溫度的穩定性稱為溫度電容系數（TCC），它可以通過電子工業聯盟（EIA）的電介質分類（例如“X7R”）來確定。EIA對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℃。電容對電壓（VCC）的穩定性也是一個重要考慮因素，但EIA未對其進行正式定義。但是，對于更高電容的II類MLCC來說，其電容在額定電壓下可能會降低多達80%，這會對應用產生相當大的影響。這種VCC特性也可能因供應商而異。除了溫度和電壓之外，電容也會因上次加熱后所過時間而減少。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）過后每隔十個小時會降低2-5%。 然而，I類電介質與II類相比更加穩定。C0G等電介質的電容漂移僅為30ppm/℃或在125℃時僅為0.3%，可以忽略不計，而U2J是750ppm/℃或在125℃時為7.5%，但卻是線性并可以預測。C0G和U2J相對直流偏置的電容變化均可忽略不計，并且相對于時間（老化）也幾乎沒有變化。這些特性使得I類電介質非常適用于諧振應用，例如LLC諧振轉換器和無線充電電路——在這些應用中將電容保持在狹窄的公差范圍內非常重要。 等效串聯電阻 在電源應用中，除了電容穩定性之外，由于i2R損耗，等效串聯電阻（ESR）也是電容器的一項重要特性。圖2對II類X7R與I類C0G/U2J MLCC在從100Hz到100MHz時的ESR進行了對比。由于BaTiO3是種鐵電材料，因此與I類電介質相比，其會在電介質內產生疇區的特性，也會引起疇壁加熱和ESR增加。因此，II類MLCC與I類相比，通常其ESR會高出一到兩個數量級。 圖2：II類X7R和I類C0G/U2J之間的ESR比較 由于電源應用中的交流電流較大，因此MLCC ESR較大會直接導致過熱。圖3給出了X7R、C0G和U2J MLCC的溫度與交流電流的關系。數據顯示，C0G和U2J在10A時的自溫升約為15℃，而X7R僅在5A時溫升就達到了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之間的關鍵特性比較 I類技術進展 由于采用I類BME電介質的MLCC具有高溫穩定性、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電介質技術創建了產品組合，這進一步提高了針對緩沖器、直流鏈路和諧振應用的功率處理能力。 這類產品包括C0G高壓商用和汽車等級系列，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電介質可實現極低的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 即使應用使用高性能I類電介質電容器設計，通常其也需要提供更高等級的電容，這需要靠增加電路板面積來實現。但是，傳統上，增加電路板面積會降低解決方案的功率密度。因此，基美電子開發了KONNEKT技術，這是一種面向高效率、高密度電源應用的無引線多層片式解決方案，可以解決這一問題。KONNEKT使用瞬態液相燒結（TLPS）工藝來對I類MLCC進行組合，可以使用標準回流焊方法進行安裝。附錄中提供了一個例子，用來說明這項技術如何能夠提供高功率處理能力。 總結 汽車和數據中心等應用涉及大量電力使用，為了降低其運營成本，提高能源效率就成為現代世界的一個重要考慮因素。雖然迄今為止大部分開發工作都集中在電路拓撲和半導體性能上，但電容器等無源元件也會對電源效率產生重大影響。 在電源應用中，包括C0G和U2J在內的I類材料具有極佳的穩定性，并且由于MLCC性能可以預測，因此設計人員可以實現精確公差。KONNEKT技術等新技術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 附錄 KONNEKT——面向高效率、高密度電源應用 圖6提供了一個具體示例，它說明可以使用KONNEKT技術對三個U2J 0.47mF F50V1812 MLCC進行連接，而以相同的占位面積提供1.4mF的電容。以側面方式（即“低損耗方向”）放置該組件還可以實現其他好處——這樣就可以實現更低的ESR、更低的熱阻和電感（ESL），并最終實現更高的功率處理能力。 在使用基于U2J電介質的1.4mF三MLCC模塊時，若以標準方向進行安裝，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），這樣就可減少系統損耗并限制元件的溫升。如圖7所示，在20A的紋波電流測試期間，紅外熱成像顯示標準方向安裝的溫度為65℃，而低損耗方向的溫度僅為35℃。因此，在標準方向上，電流處理降低到11.0A，而低損耗方向則可實現34.0A。KONNEKT U2J電容器具有極低的ESR和極高的紋波電流，因此對專為數據中心、無線充電和汽車應用所設計的LLC諧振轉換器來說非常適用。以低損耗方向安裝可以讓較少的電能轉換為熱量，從而提高能量效率。 
圖6：（上）KONNEKT技術可在相同的占位面積下增加電容，（下）標準方向與低損耗方向對比
圖7：（左）在20A紋波電流期間標準/傳統方向與低損耗方向KONNEKT U2J的熱成像對比，（右）電氣特性 |
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