面向高功率密度应用的I类陶瓷技术

Mark Laps，基美电子（KEMET）
 
无论是对通信、为大量数据提供安全可靠的存储，还是对电动和混合动力电动汽车运输来说，我们的社会都越来越依赖于电力。因此，供电保障对于享受现代生活至关重要。其中一个最紧迫的议题就是能源效率——部分原因在于电力成本不断上升，以及我们希望保护发电用的自然资源。当转用太阳能、风能等新能源，或考虑电子电路的冷却要求时，效率是最重要的一个考虑因素。
 
全世界的工程师都在不断寻求提高设备效率的方法，这些方法包括高级电路拓扑结构，例如谐振转换器、智能电源管理和新材料的采用。在功率半导体领域，宽带隙（WBG）器件正开始受到欢迎，它可以让电源转换器件在更高频率、更高温度和更高电压下工作。随着开关速度的增加，电容器和磁性器件等关键元器件的尺寸可以减小，从而可在更高的电源转换效率下提供更大的功率密度。
 
对提高效率和功率密度来说，由于开关半导体器件对任何电源系统中的静态和动态损耗都大有裨益，因此人们把大部分眼光都集中在了这类器件上。然而，在现有基础上要想实现小小改进却越来越困难并且成本也越来越高，因此工程师们正在寻找其他方法来提高效率。
 
虽然许多工程师都认为电容器对于电源设计来说只是支持性器件，但越来越多的人却认识到必须要提高它们的效率，进而提高功率密度。在电源设计中，电容器在三个方面会对系统效率产生积极影响，每个方面对电容器的要求略有不同。
 
首先，缓冲器可能需要高dV/dT、高纹波电流、高电压、高温以及低电感。其次，直流链路需要高纹波电流、电压、温度和频率。第三，谐振转换器需要高纹波电流、宽工作电压范围，以及随温度和交直流电压变化的电容稳定性。考虑到上述应用的综合要求，电容器应具有极低的损耗、高纹波电流处理能力、能够承受高电压并接受更高的工作温度，同时具有稳定的电容和高机械稳定性。为了使用宽带隙半导体实现高密度、高效率的电源，必须使采用这些封装的电容器具有高温度和机械稳定性。
 
I类与II类多层陶瓷电容器（MLCC）
 
在市场上众多类型的电容器中，陶瓷电容器（特别是多层MLCC）可以提供缓冲器、直流链路和谐振应用所需的关键特性。MLCC是通过对金属电极层和陶瓷电介质层进行交替而形成。每层代表一个单独的电容器，由于它们是并联排列，因此增加层数可以提供更多的电容。目前生产的绝大多数MLCC是用贱金属电极（BME）——具有镍金属电极——以及CaZrO3电介质（I类）或BaTiO3电介质（II类）来制作。

图1：贱金属电极MLCC的分解图

稳定性

电介质是根据其在温度下的电容稳定性而进行分类。I类包含的电介质（C0G、NPO、U2J）对温度来说最为稳定，但它们的介电常数（K）最低，为了实现与更传统类型的MLCC相同的电容，就需要更大的体积。II类包括的介电材料（X7R、X5R），温度稳定性和K值居中。因此，与I类MLCC相比，II类提供的每单位体积电容更高。尽管II类MLCC具有更高的整体电容，但工程师必须要了解一些关键的设计考虑因素，从而避免在将它们用于电源应用时造成极大影响。
 
由于II类MLCC使用的是BaTiO3电介质，实际电容会受到工作温度、所加直流偏置和上次加热（老化）后所过时间的影响。电容对温度的稳定性称为温度电容系数（TCC），它可以通过电子工业联盟（EIA）的电介质分类（例如“X7R”）来确定。EIA对X7R的定义是工作温度范围为-55℃至125℃，最大电容限值为±15%。X5R具有相同的±15%电容限值，但工作温度范围为-55℃至85℃。电容对电压（VCC）的稳定性也是一个重要考虑因素，但EIA未对其进行正式定义。但是，对于更高电容的II类MLCC来说，其电容在额定电压下可能会降低多达80%，这会对应用产生相当大的影响。这种VCC特性也可能因供应商而异。除了温度和电压之外，电容也会因上次加热后所过时间而减少。这称为老化，通常在最后一次130℃以上加热（通常是在制造过程中焊接零件时）过后每隔十个小时会降低2-5%。
 
然而，I类电介质与II类相比更加稳定。C0G等电介质的电容漂移仅为30ppm/℃或在125℃时仅为0.3%，可以忽略不计，而U2J是750ppm/℃或在125℃时为7.5%，但却是线性并可以预测。C0G和U2J相对直流偏置的电容变化均可忽略不计，并且相对于时间（老化）也几乎没有变化。这些特性使得I类电介质非常适用于谐振应用，例如LLC谐振转换器和无线充电电路——在这些应用中将电容保持在狭窄的公差范围内非常重要。
 
等效串联电阻

在电源应用中，除了电容稳定性之外，由于i²R损耗，等效串联电阻（ESR）也是电容器的一项重要特性。图2对II类X7R与I类C0G/U2J MLCC在从100Hz到100MHz时的ESR进行了对比。由于BaTiO3是种铁电材料，因此与I类电介质相比，其会在电介质内产生畴区的特性，也会引起畴壁加热和ESR增加。因此，II类MLCC与I类相比，通常其ESR会高出一到两个数量级。

图2：II类X7R和I类C0G/U2J之间的ESR比较

由于电源应用中的交流电流较大，因此MLCC ESR较大会直接导致过热。图3给出了X7R、C0G和U2J MLCC的温度与交流电流的关系。数据显示，C0G和U2J在10A时的自温升约为15℃，而X7R仅在5A时温升就达到了40℃。

图3：II类X7R和I类C0G/U2J之间的纹波电流比较
 

图4：II类X7R和I类C0G/U2J之间的关键特性比较

I类技术进展
 
由于采用I类BME电介质的MLCC具有高温稳定性、低损耗和高纹波电流能力，因此其显然是高功率密度应用的理想选择。基美电子（KEMET）已使用获得专利的I类BME CaZrO3电介质技术创建了产品组合，这进一步提高了针对缓冲器、直流链路和谐振应用的功率处理能力。
 
这类产品包括C0G高压商用和汽车等级系列，可提供500到10,000VDC的宽电压范围，并采用0603至4540的EIA外壳尺寸。BME C0G CaZrO3电介质可实现极低的ESR、低ESL、高纹波电流处理能力和高dV/dT。
 
此电子元器件专家还推出了表面贴装KC-LINK 3640 220nF 500V陶瓷电容器，它采用CaZrO3介电材料制作，从而获得了极低损耗的解决方案——ESR值从40kHz到1MHz皆低于4mΩ，在50kHz左右则低至2mΩ。因此，在105℃环境温度和0VDC偏置下，其从50kHz到300kHz的典型纹波电流约为20A，如图5所示。

图5：KC-LINK阻抗、ESR和纹波电流

KONNEKT技术

即使应用使用高性能I类电介质电容器设计，通常其也需要提供更高等级的电容，这需要靠增加电路板面积来实现。但是，传统上，增加电路板面积会降低解决方案的功率密度。因此，基美电子开发了KONNEKT技术，这是一种面向高效率、高密度电源应用的无引线多层片式解决方案，可以解决这一问题。KONNEKT使用瞬态液相烧结（TLPS）工艺来对I类MLCC进行组合，可以使用标准回流焊方法进行安装。附录中提供了一个例子，用来说明这项技术如何能够提供高功率处理能力。
 
总结
 
汽车和数据中心等应用涉及大量电力使用，为了降低其运营成本，提高能源效率就成为现代世界的一个重要考虑因素。虽然迄今为止大部分开发工作都集中在电路拓扑和半导体性能上，但电容器等无源元件也会对电源效率产生重大影响。
 
在电源应用中，包括C0G和U2J在内的I类材料具有极佳的稳定性，并且由于MLCC性能可以预测，因此设计人员可以实现精确公差。KONNEKT技术等新技术可以以较小的占位面积提供大容量电容，因此可以显著提高功率密度。
 
附录
Box Out
 
KONNEKT——面向高效率、高密度电源应用
 
图6提供了一个具体示例，它说明可以使用KONNEKT技术对三个U2J 0.47mF F50V1812 MLCC进行连接，而以相同的占位面积提供1.4mF的电容。以侧面方式（即“低损耗方向”）放置该组件还可以实现其他好处——这样就可以实现更低的ESR、更低的热阻和电感（ESL），并最终实现更高的功率处理能力。
 
在使用基于U2J电介质的1.4mF三MLCC模块时，若以标准方向进行安装，ESL为1.6nH，而若以低损耗方向安装则可下降至仅0.4nH。同样，在低损耗方向上，ESR也可以下降（从1.3mW减少到0.35mW），这样就可减少系统损耗并限制元件的温升。如图7所示，在20A的纹波电流测试期间，红外热成像显示标准方向安装的温度为65℃，而低损耗方向的温度仅为35℃。因此，在标准方向上，电流处理降低到11.0A，而低损耗方向则可实现34.0A。KONNEKT U2J电容器具有极低的ESR和极高的纹波电流，因此对专为数据中心、无线充电和汽车应用所设计的LLC谐振转换器来说非常适用。以低损耗方向安装可以让较少的电能转换为热量，从而提高能量效率。

 
图6：（上）KONNEKT技术可在相同的占位面积下增加电容，（下）标准方向与低损耗方向对比
 
 
图7：（左）在20A纹波电流期间标准/传统方向与低损耗方向KONNEKT U2J的热成像对比，（右）电气特性