Udnyt fordelene ved keramiske kondensatorer for at øge effektdensiteten og konverteringseffektivitet

Fra dataservere til tingenes internet (IoT) til elektriske køretøjer (EV'er) er designere af elsystemer konstant under pres for at opnå højere effekttæthed og konverteringseffektivitet. Selv om der har været meget fokus på halvlederkoblingsenheder for at opnå disse forbedringer, betyder de iboende egenskaber ved flerlags keramiske kondensatorer (MLCC), at de også kan spille en vigtig rolle for at hjælpe designerne med at opfylde deres designkrav. Disse egenskaber omfatter lave tab, høj spænding og ripple-strømhåndteringsevne, høj spændingsmodstandsevne og høj stabilitet over ekstreme driftstemperaturer.

Denne artikel beskriver opbygningen af MLCC'er, og hvordan keramiske kondensatorer øger strømstyrken i DC- og AC-skinner, samtidig med at de supplerer hurtigt skiftende halvledere. Den kaster også lys over klasse I- og klasse II-dielektriske stoffer og hvordan de gør det muligt for miniature MLCC'er at tjene til strømsystemer som f.eks. snubbers og resonansomformere.

Hvordan MLCC'er er konstrueret

MLCC'er er monolitiske enheder, der er opbygget af skiftende lag af keramisk dielektrikum og metalelektroder (figur 1). De laminerede lag i MLCC'er fremstilles ved høje temperaturer for at fremstille en sintret og volumetrisk effektiv kapacitetsenhed. Derefter integreres et ledende afslutningsbarrieresystem på de udsatte ender af enheden for at fuldføre forbindelsen.

Figur 1: Keramiske dielektriske materialer er kategoriseret efter temperaturstabilitet og dielektrisk konstant. (Billedkilde: KEMET)

Keramik, de ikke-polære enheder, der giver større volumetrisk effektivitet, kan levere større kapacitet i mindre pakker. Desuden er de mere pålidelige ved højfrekvente operationer. Dette gør det muligt for MLCC'er at levere den rigtige kombination af dielektrikum, termineringssystem, formfaktor og afskærmning.

Alligevel er der flere spørgsmål, som kræver, at designerne er omhyggelige, når de vælger keramiske kondensatorer til applikationer med høj effekttæthed. Til at begynde med kan kapacitansen påvirkes af driftstemperaturen, den anvendte jævnstrømsforspænding og tiden efter sidste opvarmning. Tiden efter sidste opvarmning kan f.eks. forårsage et skift i kapacitansen, hvilket fører til kondensatorens ældning (figur 2).

Figur 2: Ældningshastighederne i procent af kapacitansen over tid. (Billedkilde: KEMET)

Endnu vigtigere er det, at de krusninger, der genereres af hurtigt skiftende IGBT- eller MOSFET-halvlederkomponenter, kan påvirke ydeevnen, fordi hver kondensator har en vis impedans og selvinduktion. Det er derfor vigtigt, at kondensatorer begrænser udsving, da enheder som invertere sporadisk kræver store strømme, hvilket kræver en høj ripple-strømtolerance.

Så er der kondensatorens effektive seriemodstand (ESR), en vigtig egenskab, der repræsenterer den samlede interne modstand som specificeret ved en given frekvens og temperatur. Ved at minimere ESR reducerer designeren strømtab som følge af varmeudvikling.

Dernæst øger en lav effektiv serieinduktans (ESL) driftsfrekvensområdet og muliggør yderligere miniaturisering af keramiske kondensatorer. Sammen øger en lav ESR og en lav ESL en kondensators strømforbrugsevne og minimerer enhedens parasitiske egenskaber. Desuden bidrager de til lavere tab, hvilket igen gør det muligt for kondensatorer at fungere ved høje ripple-strømniveauer.

Et andet vigtigt designhensyn er valget af dielektrisk materiale. Dette bestemmer ændringen i kapacitansen over temperaturen (figur 3). Klasse I dielektriske materialer som C0G og U2J er mere temperaturstabile dielektriske materialer, men de har en lavere dielektrisk konstant (K). På den anden side har klasse II-materialer som X7R og X5R en middelstor stabilitet og K-værdi, mens de har meget højere kapacitetsværdier.

Figur 3: Klasse I- og klasse II-dielektriske materialer adskiller sig hovedsageligt ved, hvor meget kapacitansen ændrer sig over en bestemt temperatur. (Billedkilde: KEMET)

Men for hurtigt skiftende strømforsyningssystemer gælder det, at jo højere driftsfrekvens, jo lavere kapacitet kræves der for at levere strøm. Dette gør det muligt for keramiske kondensatorer med lavere K-værdi at erstatte voluminøse filmkondensatorer med høj kapacitet, hvilket forbedrer effekttætheden betydeligt. Disse keramiske kondensatorer har et mindre fodaftryk, så de kan monteres tættere på hurtigt skiftende halvledere, samtidig med at de kræver minimal køling i applikationer med høj effekttæthed.

Dielektriske MLCC'er i klasse I

KEMET's KC-LINK-kondensatorer såsom CKC33C224KCGACAUTO (0,22 mikrofarad (µF), 500 volt), CKC33C224JCGACAUTO (0,22 µF, 500 volt) og CKC18C153JDGACAUTO (15 nanofarad (nF), 1000 volt) er gode eksempler på klasse 1. De anvender et dielektrisk materiale af klasse 1 calciumzirkonat, der muliggør ekstremt stabil drift uden kapacitetstab på grund af koblingsfrekvens, anvendt spænding eller omgivelsestemperatur. Det dielektriske materiale af calciumzirkonat med lavt tab minimerer også aldringseffekterne, da der ikke sker nogen kapacitetsforskydning over tid.

KC-LINK-kondensatorerne anvender C0G dielektrisk teknologi for at opnå en meget lav ESR og evnen til at håndtere en meget høj ripple-strøm, hvilket er nødvendigt for design med høj effekttæthed. Den høje mekaniske robusthed gør det muligt at montere disse keramiske klasse I-kondensatorer uden brug af ledningsrammer, hvilket også bidrager til ekstremt lav ESL.

Disse keramiske kondensatorer kan fungere ved meget høje ripple-strømme uden ændring i kapacitansen i forhold til DC-spændingen og med en ubetydelig ændring i kapacitansen i forhold til et driftstemperaturområde på -55 °C til 150 °C. De fås med kapacitetsværdier fra 4,7 nF til 220 nF og spændingsværdier fra 500 volt til 1.700 volt (Figur 4).

Figur 4: Med en driftstemperatur på 150 °C kan KC-LINK-keramiske kondensatorer placeres tættere på hurtigt skiftende halvledere i applikationer med høj effekttæthed, der kræver minimal køling. (Billedkilde: KEMET)

Her er det værd at bemærke, at KC-LINK-kondensatorer, som er baseret på dielektrisk klasse 1-materiale, har en lavere on-chip-kapacitet end tilsvarende klasse 2-kondensatorer i samme størrelse. Så hvis der er behov for mere kapacitet, kan flere KC-LINK-kondensatorer bindes sammen i en enkelt monolitisk struktur for at skabe en pakning med højere tæthed.

Resultatet af denne kondensatorkonsolidering er en støjsvag løsning svarende til KC-LINK, men med op til 125 procent mere kapacitet. KEMET's KONNEKT-kondensatorer til overflademontering, der også er baseret på et klasse I dielektrisk materiale, giver højere kapacitetsværdier fra 100 picofarad (pF) til 0,47 µF. De bevarer over 99 % af deres nominelle kapacitet ved nominelle spændinger og er velegnede til tidskritiske applikationer og applikationer, der er udsat for temperaturcykler og bøjning af printkortet.

Stabling af MLCC'er for at opnå større kapacitet

De keramiske KONNEKT-kondensatorer, herunder C1812C145J5J5JLC7805, C1812C944J5JLC7800 og C1812C944J5JLC7805, er fremstillet ved at stable to til fire keramiske kondensatorer vertikalt eller horisontalt, samtidig med at enhedens integritet bevares. Den keramiske kondensator C1812C944J5JLC7800 giver en kapacitet på 0,94 µF ved at stable to enheder, mens den keramiske kondensator C1812C145J5J5JLC7805 øger kapacitansværdien til 1,4 µF med tre enheder stablet sammen.

Disse MLCC'er anvender TLPS-materialet (Transient Liquid Phase Sintering) til at binde komponenttermineringer sammen og dermed skabe en blyfri multichip-løsning. Den blyfri multichip-løsning gør kondensatoren kompatibel med eksisterende reflow-processer. TLPS, en metalmatrixkompositbinding fremstillet af kobber-tin-materiale, anvendes som erstatning for loddet. Det danner en metallurgisk binding mellem to overflader, i dette tilfælde U2J-lagene.

Det faktum, at kondensatorer kan integreres i begge retninger, minimerer komponentens fodaftryk og maksimerer bulkkapacitansen for en stablet MLCC-enhed (figur 5), hvilket gør det muligt for KONNEKT-keramiske kondensatorer at opnå det kapacitetsområde, der tidligere kun var muligt med klasse II dielektriske materialer som X5R og X7R.

Figur 5: MLCC'er kan stables for at øge kapacitansen og placeres i en lavt tabsorienteret position for at sænke ESR og ESL. (Billedkilde: KEMET)

Ved en orientering med lavt tab omdannes mindre elektrisk energi til varme, hvilket igen forbedrer energieffektiviteten og øger kondensatorens effektkapacitet yderligere. Orienteringen med lavt tab sænker også både ESR og ESL og øger dermed en keramisk kondensators evne til at håndtere ripple-strømme.

Brugen af TLPS-materiale kombineret med et ultrastabilt dielektrikum gør det muligt for keramiske kondensatorer at håndtere ekstremt høje ripple-strømme i hundreder af kilohertz-området. For eksempel er ESL for KONNEKT-kondensatoren C1812C145J5J5JLC7805 U2J 1,4 μF KONNEKT-kondensatoren 1,6 nanohenry (nH), når den er monteret i standardorientering, men den reduceres til 0,4 nH i lavtabsorientering. På samme måde reduceres ESR i lavt tabsorientering fra 1,3 milliohm (mΩ) til 0,35 mΩ, hvilket reducerer systemtab og begrænser temperaturstigningen.

KEMET's U2J KONNEKT-kondensatorer til overflademontering begrænser deres kapacitetsændring til -750 ±120 ppm (parts per million)/°C ved temperaturer fra -55°C til +125°C. Dette gør det muligt for U2J-keramikkondensatoren at udvise en ubetydelig ændring i kapacitansen i forhold til jævnspænding og en forudsigelig lineær ændring i kapacitansen i forhold til omgivelsestemperaturen.

Keramiske kondensatorer til vekselstrømsledninger

De keramiske kondensatorer, der er nævnt i ovenstående afsnit, stabiliserer og udjævner spændingen og strømmen på DC-skinner og forhindrer således afkoblingsspidser forårsaget af hurtig omskiftning. Keramiske kondensatorer anvendes dog også i vekselstrømsfiltrering, vekselstrøms-/ jævnstrømsomformere og strømfaktorkorrektionskredsløb (PFC).

Her er det vigtigt at bemærke, at keramiske kondensatorer til vekselstrømsledninger findes i både sikkerheds- og ikke-sikkerhedsklassificerede formater. Mens de sikkerhedsklassificerede kondensatorer undertrykker elektrisk støj og beskytter konstruktioner mod overspændinger og transienter, er højere kapacitets-/spændingsniveauer (CV-niveauer) ikke tilgængelige i disse sikkerhedscertificerede MLCC'er.

Ikke-sikkerhedsklassificerede keramiske vekselstrømskondensatorer, der fås i forskellige størrelser og CV-værdier, kan anvendes til kontinuerlig brug i vekselstrømsledningsforhold. KEMET's CAN-serie af keramiske kondensatorer er kvalificeret til vekselstrømsnetforhold på 250 VAC ved 50/60 Hz netfrekvenser og andre ikke-sikkerhedsrelaterede anvendelser.

Figur 6: CAN-seriens vekselstrømskondensatorer giver lav lækstrøm og lav ESR ved højere frekvenser. (Billedkilde: KEMET)

AC-ledningskondensatorerne har lav lækstrøm og lav ESR ved høje frekvenser (figur 6). De er beregnet til både line-to-line (klasse X) og line-to-ground (klasse Y) applikationer, og de opfylder impulskriterierne i IEC 60384-standarden.

CAN-serien af keramiske kondensatorer fås i både X7R- og C0G-dielektricitet. C0G-dielektrisket, som vist i tilfælde af DC-link-kondensatorer, udviser ingen kapacitetsændring med hensyn til tid og spænding, og det viser kun en ubetydelig kapacitetsændring med hensyn til omgivelsestemperatur. På den anden side viser X7R i keramiske kondensatorer som CAN12X153KARAC7800 og CAN12X223KARAC7800 en forudsigelig ændring i kapacitansen med hensyn til tid og spænding og har en minimal ændring i kapacitansen som følge af omgivelsestemperaturen.

Den keramiske CAN12X153KARAC7800-kondensator har en kapacitansværdi på 0,015 µF, mens CAN12X223KARAC7800-enheden har en kapacitet på 0,022 µF. Begge disse MLCC-enheder har en tolerance på 10 %.

Konklusion

I takt med at strømforsyningssystemerne fortsat bliver mindre og mere strøm i mindre formfaktorer, spiller MLCC'er en afgørende rolle i design, der spænder fra serverstrømforsyninger til trådløse opladere og strømomformere. De udjævner jævn- og vekselspændinger, stabiliserer strømbølger og sikrer termisk styring i strømdesigns, der søger at forbedre konverteringseffektiviteten. Som vist her giver valget af klasse I- og klasse II-dielektriske materialer MLCC'er mulighed for at skræddersy kapacitansen og andre kritiske parametre som ESR og ESL i overensstemmelse med specifikke anvendelsesbehov.