【導(dǎo)讀】無論是對通信、為大量數(shù)據(jù)提供安全可靠的存儲,還是對電動和混合動力電動汽車運(yùn)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(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。
無論是對通信、為大量數(shù)據(jù)提供安全可靠的存儲,還是對電動和混合動力電動汽車運(yùn)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(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。
對提高效率和功率密度來說,由于開關(guān)半導(dǎo)體器件對任何電源系統(tǒng)中的靜態(tài)和動態(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)方面會對系統(tǒng)效率產(chǎn)生積極影響,每個(gè)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(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(wěn)定性也是一個(gè)重要考慮因素,但EIA未對其進(jìn)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(dá)80%,這會對應(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。C0G和U2J相對直流偏置的電容變化均可忽略不計(jì),并且相對于時(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II類X7R與I類C0G/U2J MLCC在從100Hz到100MHz時(shí)的ESR進(jìn)行了對比。由于BaTiO3是種鐵電材料,因此與I類電介質(zhì)相比,其會在電介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生疇區(qū)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(gè)數(shù)量級。
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對電源效率產(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,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的熱成像對比,(右)電氣特性
(來源:基美電子(KEMET),作者:Mark Laps)
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