【導讀】無論是對通信、為wei大da量liang數shu據ju提ti供gong安an全quan可ke靠kao的de存cun儲chu，還hai是shi對dui電dian動dong和he混hun合he動dong力li電dian動dong汽qi車che運yun輸shu來lai說shuo，我wo們men的de社she會hui都dou越yue來lai越yue依yi賴lai於yu電dian力li。因yin此ci，供gong電dian保bao障zhang對dui於yu享xiang受shou現xian代dai生sheng活huo至zhi關guan重zhong要yao。其qi中zhong一yi個ge最zui緊jin迫po的de議yi題ti就jiu是shi能neng源yuan效xiao率lv——部分原因在於電力成本不斷上升
，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。

無論是對通信、為wei大da量liang數shu據ju提ti供gong安an全quan可ke靠kao的de存cun儲chu
，還hai是shi對dui電dian動dong和he混hun合he動dong力li電dian動dong汽qi車che運yun輸shu來lai說shuo，我wo們men的de社she會hui都dou越yue來lai越yue依yi賴lai於yu電dian力li。因yin此ci
，供gong電dian保bao障zhang對dui於yu享xiang受shou現xian代dai生sheng活huo至zhi關guan重zhong要yao。其qi中zhong一yi個ge最zui緊jin迫po的de議yi題ti就jiu是shi能neng源yuan效xiao率lv——部分原因在於電力成本不斷上升，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geng高gao溫wen度du和he更geng高gao電dian壓ya下xia工gong作zuo。隨sui著zhe開kai關guan速su度du的de增zeng加jia
，電dian容rong器qi和he磁ci性xing器qi件jian等deng關guan鍵jian元yuan器qi件jian的de尺chi寸cun可ke以yi減jian小xiao，從cong而er可ke在zai更geng高gao的de電dian源yuan轉zhuan換huan效xiao率lv下xia提ti供gong更geng大da的de功gong率lv密mi度du。

對dui提ti高gao效xiao率lv和he功gong率lv密mi度du來lai說shuo，由you於yu開kai關guan半ban導dao體ti器qi件jian對dui任ren何he電dian源yuan係xi統tong中zhong的de靜jing態tai和he動dong態tai損sun耗hao都dou大da有you裨bi益yi，因yin此ci人ren們men把ba大da部bu分fen眼yan光guang都dou集ji中zhong在zai了le這zhe類lei器qi件jian上shang。然ran而er，在zai現xian有you基ji礎chu上shang要yao想xiang實shi現xian小xiao小xiao改gai進jin卻que越yue來lai越yue困kun難nan並bing且qie成cheng本ben也ye越yue來lai越yue高gao

，因yin此ci工gong程cheng師shi們men正zheng在zai尋xun找zhao其qi他ta方fang法fa來lai提ti高gao效xiao率lv。

雖sui然ran許xu多duo工gong程cheng師shi都dou認ren為wei電dian容rong器qi對dui於yu電dian源yuan設she計ji來lai說shuo隻zhi是shi支zhi持chi性xing器qi件jian，但dan越yue來lai越yue多duo的de人ren卻que認ren識shi到dao必bi須xu要yao提ti高gao它ta們men的de效xiao率lv，進jin而er提ti高gao功gong率lv密mi度du。在zai電dian源yuan設she計ji中zhong
，電dian容rong器qi在zai三san個ge方fang麵mian會hui對dui係xi統tong效xiao率lv產chan生sheng積ji極ji影ying響xiang，每mei個ge方fang麵mian對dui電dian容rong器qi的de要yao求qiu略lve有you不bu同tong。

首先，緩衝器可能需要高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

、寬工作電壓範圍，以及隨溫度和交直流電壓變化的電容穩定性。考慮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、能夠承受高電壓並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）可以提供緩衝器、直流鏈路和諧振應用所需的關鍵特性。MLCC是shi通tong過guo對dui金jin屬shu電dian極ji層ceng和he陶tao瓷ci電dian介jie質zhi層ceng進jin行xing交jiao替ti而er形xing成cheng。每mei層ceng代dai表biao一yi個ge單dan獨du的de電dian容rong器qi

，由you於yu它ta們men是shi並bing聯lian排pai列lie，因yin此ci增zeng加jia層ceng數shu可ke以yi提ti供gong更geng多duo的de電dian容rong。目mu前qian生sheng產chan的de絕jue大da多duo數shuMLCC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）來製作。

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於電源應用時造成極大影響。

由於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）後所過時間的影響。電容對溫度的穩定性稱為溫度電容係數（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的定義是工作溫度範圍為-55℃至125℃
，最大電容限值為±15%。X5R具有相同的±15%電容限值，但工作溫度範圍為-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，對於更高電容的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後所過時間而減少。這稱為老化，通常在最後一次130℃以上加熱（通常是在製造過程中焊接零件時）過後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%，但卻是線性並可以預測。C0G和U2J相對直流偏置的電容變化均可忽略不計，並且相對於時間（老化）也幾乎沒有變化。這些特性使得I類電介質非常適用於諧振應用
，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範圍內非常重要。

等效串聯電阻

在電源應用中
，除了電容穩定性之外，由於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。由於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

由於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係。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

由於采用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。基美電子（KEMET）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衝器
、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係列
，可提供500到10,000VDC的寬電壓範圍，並采用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麵貼裝KC-LINK 3640 220nF 500V陶瓷電容器，它采用CaZrO3介電材料製作，從而獲得了極低損耗的解決方案——ESR值從40kHz到1MHz皆低於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(lei)電(dian)介(jie)質(zhi)電(dian)容(rong)器(qi)設(she)計(ji)，通(tong)常(chang)其(qi)也(ye)需(xu)要(yao)提(ti)供(gong)更(geng)高(gao)等(deng)級(ji)的(de)電(dian)容(rong)，這(zhe)需(xu)要(yao)靠(kao)增(zeng)加(jia)電(dian)路(lu)板(ban)麵(mian)積(ji)來(lai)實(shi)現(xian)。但(dan)是(shi)，傳(chuan)統(tong)上(shang)，增(zeng)加(jia)電(dian)路(lu)板(ban)麵(mian)積(ji)會(hui)降(jiang)低(di)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)功(gong)率(lv)密(mi)度(du)。因(yin)此(ci)，基(ji)美(mei)電(dian)子(zi)開(kai)發(fa)了(le)KONNEKT技術，這是一種麵向高效率
、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(qi)車(che)和(he)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)等(deng)應(ying)用(yong)涉(she)及(ji)大(da)量(liang)電(dian)力(li)使(shi)用(yong)
，為(wei)了(le)降(jiang)低(di)其(qi)運(yun)營(ying)成(cheng)本(ben)

，提(ti)高(gao)能(neng)源(yuan)效(xiao)率(lv)就(jiu)成(cheng)為(wei)現(xian)代(dai)世(shi)界(jie)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)。雖(sui)然(ran)迄(qi)今(jin)為(wei)止(zhi)大(da)部(bu)分(fen)開(kai)發(fa)工(gong)作(zuo)都(dou)集(ji)中(zhong)在(zai)電(dian)路(lu)拓(tuo)撲(pu)和(he)半(ban)導(dao)體(ti)性(xing)能(neng)上(shang)，但(dan)電(dian)容(rong)器(qi)等(deng)無(wu)源(yuan)元(yuan)件(jian)也(ye)會(hui)對(dui)電(dian)源(yuan)效(xiao)率(lv)產(chan)生(sheng)重(zhong)大(da)影(ying)響(xiang)。

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

，並且由於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麵積提供大容量電容，因此可以顯著提高功率密度。

附錄

Box Out

KONNEKT——麵向高效率、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
，而以相同的占位麵積提供1.4mF的電容。以側麵方式（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），並最終實現更高的功率處理能力。

在使用基於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），這樣就可減少係統損耗並限製元件的溫升。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麵積下增加電容

，（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

（來源：基美電子（KEMET），作者：Mark Laps）

免責聲明：本文為轉載文章，轉載此文目的在於傳遞更多信息
，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

單片機最小係統詳解，你要知道的都在這裏了

使用電源濾波器的常見錯誤

一招解決緊湊電機控製設計問題

如何提高電感傳感器的測量精度和靈敏度

淺析電力變壓器自動降溫電氣控製線路圖