從物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 的數(shù)據(jù)服務(wù)器到電動(dòng)汽車 （EV），電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員總會(huì)面臨的共同壓力是如何實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和轉(zhuǎn)換效率。盡管人們將更多精力放在實(shí)現(xiàn)這些改進(jìn)目標(biāo)的半導(dǎo)體開關(guān)器件上，但多層陶瓷電容器 （MLCC） 的固有特性意味著它們也可以在幫助設(shè)計(jì)人員滿足設(shè)計(jì)要求方面發(fā)揮重要作用。這些特性包括低損耗、高電壓和紋波電流處理能力、高耐壓能力以及極端工作溫度下的高穩(wěn)定性。

本文介紹了MLCC的結(jié)構(gòu)以及陶瓷電容器如何增強(qiáng)DC和AC供電軌的功率處理能力，同時(shí)還對(duì)快速開關(guān)模式半導(dǎo)體進(jìn)行了補(bǔ)充說(shuō)明。本文還闡明了I類和II類電介質(zhì)，以及這些材料如何使微型MLCC能夠用于諸如緩沖器和諧振轉(zhuǎn)換器之類的電力系統(tǒng)。

MLCC是如何制造的？

MLCC是由陶瓷介電層和金屬電極的交替層構(gòu)成的單片器件。MLCC中的疊層是在高溫下制成，以生產(chǎn)出具有高體積效率的燒結(jié)電容器件。接下來(lái)，在器件的裸露端集成一個(gè)導(dǎo)電性端接隔離系統(tǒng)，從而完成連接。

圖1：按照溫度穩(wěn)定性和介電常數(shù)分類的陶瓷電介質(zhì)。（圖片來(lái)源：KEMET）

陶瓷是非極性器件，容積效率更高，可以在更小的封裝尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的電容。此外，這種器件在高頻工作時(shí)更可靠。這使得MLCC可以將電介質(zhì)、端接系統(tǒng)、外形和屏蔽性能正確地組合在一起。

盡管如此，在為高功率密度應(yīng)用選擇陶瓷電容器時(shí)，設(shè)計(jì)人員仍然需針對(duì)一些問題進(jìn)行嚴(yán)格評(píng)估。首先，工作溫度、所施加的DC偏置和上次加熱后經(jīng)過(guò)的時(shí)間都會(huì)影響電容。例如，上次加熱后經(jīng)過(guò)的時(shí)間會(huì)引起電容變化，并導(dǎo)致電容器老化（圖2）。

圖 2：以“電容時(shí)間百分比”形式表示的老化率。（圖片來(lái)源：KEMET）

更重要的是，由于每個(gè)電容器都有一定的阻抗和自感，因此快速開關(guān)IGBT或MOSFET半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的紋波會(huì)影響到性能。因此，當(dāng)逆變器之類的設(shè)備偶爾需要大電流時(shí)，就必須通過(guò)電容器限制波動(dòng)，這需要較高的紋波電流承受能力。

然后是電容器的有效串聯(lián)電阻 （ESR），該特性至關(guān)重要，表示在給定頻率和溫度下規(guī)定的內(nèi)部總電阻。通過(guò)最小化ESR，設(shè)計(jì)人員可以減少發(fā)熱造成的功耗。

接下來(lái)，低有效串聯(lián)電感 （ESL） 會(huì)增加工作頻率范圍，并使陶瓷電容器進(jìn)一步小型化。低ESR和低ESL共同提高電容器的功率處理能力，并使器件寄生效應(yīng)最小化。而且，它們有助于降低損耗，從而使電容器能夠在高紋波電流水平下工作。

另一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)考慮因素是電介質(zhì)材料的選擇。這將確定電容隨溫度變化的性能（圖3）。雖然I類電介質(zhì)材料（例如C0G和U2J）提供了更高的溫度穩(wěn)定性電介質(zhì)，但它們的介電常數(shù)（K）較低。另一方面，II類材料（例如X7R和X5R）具有中等范圍的穩(wěn)定性以及K值，而且還具有更高的電容值。

然而，對(duì)于快速開關(guān)電源系統(tǒng)，工作頻率越高，輸送功率所需的電容越低。這使得K值較低的陶瓷電容器可以代替笨重的高電容薄膜電容器，從而顯著提高功率密度。這種陶瓷電容器的基底面較小，因此可以安裝在更靠近快速開關(guān)半導(dǎo)體的位置，而且在高功率密度應(yīng)用中所需的冷卻最少。

I類電介質(zhì)材料MLCC

KEMET的KC-LINK電容器，例如CKC33C224KCGACAUTO（0.22微法拉（μF），500V）、CKC33C224JCGACAUTO（0.22μF，500V）和CKC18C153JDGACAUTO（15納法（nF），1000V）便是很好的例子。這類電容器使用1級(jí)鋯酸鈣電介質(zhì)材料，有助于實(shí)現(xiàn)極其穩(wěn)定的工作，而不會(huì)因開關(guān)頻率、所施加的電壓或環(huán)境溫度而引起電容損失。因?yàn)殡娙莶粫?huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，因此低損耗鋯酸鈣電介質(zhì)材料還能最大程度減少老化效應(yīng)。

KC-LINK電容器利用C0G電介質(zhì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了非常低的ESR并能夠管理非常高的紋波電流，而這恰恰是高功率密度設(shè)計(jì)所必需的。高機(jī)械強(qiáng)度使這些I類陶瓷電容器在安裝時(shí)無(wú)需使用引線框架，這也導(dǎo)致了極低的ESL。

這種陶瓷電容器可以在非常高的紋波電流下工作，且電容與DC電壓相比沒有變化，而電容在-55°C至150°C工作溫度范圍內(nèi)的變化可忽略不計(jì)。它們的電容值范圍為4.7nF至220nF，額定電壓范圍為500V至1，700V。

此處值得注意的是，基于1類電介質(zhì)材料的KC-LINK電容器提供的片上電容要比同等大小的2類電容器低。因此，如果需要更多的電容，則可以將多個(gè)KC-LINK電容器結(jié)合在一起，形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，以形成具有更高密度的封裝。

電容器合并的結(jié)果是一種類似于KC-LINK的低噪聲解決方案，但電容增加多達(dá)125％。KEMET的KONNEKT表面貼裝電容器也基于I類電介質(zhì)材料，可提供100皮法（pF）至0.47μF的較高電容。這種電容器在額定電壓下仍可保持其99％以上的標(biāo)稱電容，且非常適合對(duì)時(shí)序要求嚴(yán)格的應(yīng)用、受溫度循環(huán)和電路板彎曲限制的應(yīng)用。

通過(guò)疊接MLCC獲得更大電容

KONNEKT陶瓷電容器（包括C1812C145J5JLC7805、C1812C944J5JLC7800和C1812C944J5JLC7805）是通過(guò)垂直或水平疊接兩到四個(gè)陶瓷電容器而成，同時(shí)保持了各個(gè)器件的完整性。C1812C944J5JLC7800陶瓷電容器通過(guò)疊接兩個(gè)器件可提供0.94μF電容，而C1812C145J5JLC7805陶瓷電容器通過(guò)將三個(gè)器件疊接在一起將電容提高至1.4μF。

這些MLCC利用瞬態(tài)液相燒結(jié) （TLPS） 材料將組件端接部分粘結(jié)在一起，從而構(gòu)建出一種無(wú)鉛多片解決方案。無(wú)鉛多片解決方案使電容器與現(xiàn)有的回流工藝兼容。TLPS是一種由銅錫材料制成的金屬基復(fù)合材料粘接劑，用于替代焊料。這種材料在兩個(gè)表面（此處為U2J層）之間形成冶金結(jié)合。

鑒于電容器可以在兩個(gè)方向上集成這一事實(shí)，設(shè)計(jì)人員可最大限度減少組件基底面并最大限度增大堆疊式MLCC器件的總電容（圖5），從而使KONNEKT陶瓷電容器能夠達(dá)到以前只有II類電介質(zhì)材料時(shí)（例如X5R和X7R）才能實(shí)現(xiàn)的電容范圍。

在沿低損耗方向上，只有較少的電能轉(zhuǎn)化為熱量，從而提高了能效并進(jìn)一步增強(qiáng)了電容器的功率處理能力。沿低損耗方向還降低了ESR和ESL，從而提高了陶瓷電容器處理紋波電流的能力。

TLPS材料與超穩(wěn)定電介質(zhì)相結(jié)合，使陶瓷電容器能夠處理數(shù)百個(gè)千赫茲范圍內(nèi)的極高紋波電流。例如，對(duì)于1812C145J5JLC7805 U2J 1.4μFKONNEKT電容器，沿標(biāo)準(zhǔn)方向安裝時(shí)ESL為1.6納亨（nH），而在沿低損耗方向上安裝時(shí)則降低至0.4nH。同樣，在沿低損耗方向上，ESR從1.3毫歐 （mΩ） 降低至0.35 mΩ，從而降低了系統(tǒng)損耗并限制了溫升。

KEMET的U2J KONNEKT表面貼裝電容器在–55°C至+125°C范圍內(nèi)將其電容變化限定為–750±120 ppm/°C。這使得U2J陶瓷電容器的電容相對(duì)于DC電壓的變化可忽略不計(jì)，并且電容相對(duì)于環(huán)境溫度的線性變化可預(yù)測(cè)。

AC線路陶瓷電容器

以上各節(jié)中提到的陶瓷電容器可穩(wěn)定并平滑DC電源軌上的電壓、電流，從而防止因快速開關(guān)操作而導(dǎo)致去耦尖峰。但是，陶瓷電容器也用在交流線路濾波、交流/直流轉(zhuǎn)換器和功率因數(shù)校正 （PFC） 電路中。

在此，請(qǐng)務(wù)必注意，AC線路陶瓷電容器有安全和非安全級(jí)格式。盡管安全級(jí)電容器可以抑制電氣噪聲并保護(hù)設(shè)計(jì)免受過(guò)電壓、瞬變的影響，但這些通過(guò)安全認(rèn)證的MLCC卻無(wú)法提供更高的電容/電壓（CV） 等級(jí)。

具有各種尺寸和CV值的非安全級(jí)AC陶瓷電容器可在AC線路條件下連續(xù)使用。KEMET的 CAN系列陶瓷電容器符合50/60Hz線路頻率、250VAC交流線路條件和其他非安全應(yīng)用的要求。

AC線路電容器在較高頻率下具有低泄漏電流和低ESR（圖6）。該系列既適用于線對(duì)線（X類），又適用于線對(duì)地（Y類）應(yīng)用，并且符合IEC 60384標(biāo)準(zhǔn)中的脈沖規(guī)定。

CAN系列陶瓷電容器均采用了X7R和C0G電介質(zhì)材料。如DC鏈路電容器所示，C0G電介質(zhì)相對(duì)于時(shí)間和電壓均未出現(xiàn)電容變化，而且相對(duì)于環(huán)境溫度而言電容變化可忽略。另一方面，在諸如CAN12X153KARAC7800和CAN12X223KARAC7800等的陶瓷電容器中，X7R在相對(duì)于時(shí)間和電壓時(shí)，電容變化可預(yù)測(cè)，而且由于環(huán)境溫度而導(dǎo)致的電容變化最小。

CAN12X153KARAC7800陶瓷電容器的電容為0.015μF，而CAN12X223KARAC7800器件的電容為0.022μF。這兩種MLCC器件的容差都是10％。

總結(jié)

隨著功率傳輸系統(tǒng)的體積不斷縮小以及將更多功率器件封裝在更小的尺寸內(nèi)，MLCC在從服務(wù)器電源到無(wú)線充電器，再到逆變器的設(shè)計(jì)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它們可平滑DC和AC電壓、穩(wěn)定電流紋波，并確保尋求提高轉(zhuǎn)換效率的電源設(shè)計(jì)具有熱管理性能。如本文所示，通過(guò)選擇I類或II類電介質(zhì)材料，設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)特定應(yīng)用需求來(lái)調(diào)節(jié)MLCC的電容和其他關(guān)鍵參數(shù)（如ESR和ESL）。

原文標(biāo)題：電源工程師為什么都愛用MLCC？本文的分析很到位~

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