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@@。
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）。
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@@@@。
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）。
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@@。
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@@。
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）。