MLCC如何增强DC和AC供电轨的功率处理能力

从物联网(IoT)的数据服务器到电动汽车(EV)，电源系统设计人员一直面临着如何实现更高功率密度和转换效率的共同压力。尽管人们通常将更多的关注放在半导体开关器件上来实现这些改进目标，但是多层陶瓷电容器(MLCC)的固有特性意味着它们在帮助设计人员满足设计要求方面也扮演着重要角色。MLCC具有低损耗、高电压和纹波电流处理能力、高耐压能力以及在极端工作温度下的高稳定性等特点。

本文将介绍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，并对快速开关模式半导体进行补充说明。此外，本文还会阐明I类和II类电介质，并说明这些材料如何使微型MLCC在缓冲器和谐振转换器等电力系统中得以应用。

MLCC是如何制造的？
MLCC由陶瓷介电层和金属电极的交替层构成的单片器件（见图1）。制造过程涉及在高温下堆叠层，以获得具有高体积效率的烧结电容器。然后，在器件的裸露端部集成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。
陶瓷是非极性器件，具有更高的容积效率，可以在更小的封装尺寸内实现更高的电容。此外，在高频工作条件下，陶瓷器件更加可靠。这使得MLCC能够在电介质、端接系统、外形和屏蔽性能之间正确地进行组合。

尽管如此，在选择用于高功率密度应用的陶瓷电容器时，设计人员仍然需要对一些问题进行严格评估。首先，工作温度、所施加的DC偏置和上次加热后的经过时间都会对电容器的性能产生影响。例如，上次加热后的经过时间会导致电容器性能的变化，并引起电容器老化

更重要的是，由于每个电容器都有一定的阻抗和自感，快速开关的IGBT或MOSFET半导体器件产生的纹波会对性能产生影响。因此，当逆变器等设备偶尔需要处理大电流时，电容器必须通过限制纹波来提供支持，这就需要具备较高纹波电流承受能力。

电容器的有效串联电阻(ESR)也是一个关键特性，它表示在给定频率和温度下的内部总电阻。通过最小化ESR，设计人员可以减少由发热引起的功耗。

此外，低有效串联电感(ESL)的增加可以扩展工作频率范围，并进一步减小陶瓷电容器的尺寸。低ESR和低ESL共同提高电容器的功率处理能力，并将器件的寄生效应最小化。此外，它们有助于降低损耗，使电容器能够在高纹波电流水平下工作。

在设计过程中，选择适合的电介质材料也是一个关键因素。这将决定电容器随温度变化的性能（见图3）。虽然I类电介质材料（如C0G和U2J）提供了更高的温度稳定性，但它们的介电常数(K)较低。另一方面，II类材料（如X7R和X5R）具有中等稳定性和介电常数，同时具有更高的电容值。

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，随着工作频率的增加，所需的电容器容值会减小。这使得具有较低K值的陶瓷电容器可以取代笨重的高容值薄膜电容器，从而显著提高功率密度。这种陶瓷电容器的基底面积较小，因此可以安装在更靠近快速开关半导体的位置，同时在高功率密度应用中所需的冷却要求也较低。

I类电介质材料MLCC
KEMET的KC-LINK电容器，例如CKC33C224KCGACAUTO（0.22μF，500V）、CKC33C224JCGACAUTO（0.22μF，500V）和CKC18C153JDGACAUTO（15nF，1000V），是优秀的样例。这些电容器采用一级锆酸钙电介质材料，能够实现极其稳定的工作，不受开关频率、电压或环境温度的影响而导致电容损失。由于电容不会随时间变化，低损耗的锆酸钙电介质材料还能最大程度地减少老化效应。

KC-LINK电容器利用C0G电介质技术实现了非常低的ESR，并能够处理极高的纹波电流，这对于高功率密度设计至关重要。由于其高机械强度，这些I类陶瓷电容器无需使用引线框架进行安装，从而实现了极低的ESL。

这种陶瓷电容器可以在高纹波电流下工作，且与直流电压相比不会发生变化，而在-55°C至150°C的工作温度范围内，其电容变化可以忽略不计。其电容值范围为4.7nF至220nF，额定电压范围为500V至1,700V（见图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）
需要注意的是，基于I类电介质材料的KC-LINK电容器的片上电容比同等尺寸的II类电容器低。因此，如果需要更大的电容值，可以将多个KC-LINK电容器组合在一起，形成一个整体结构，以实现更高密度的封装。通过这种电容器的组合，可以获得类似KC-LINK的低噪声解决方案，同时电容值增加了多达125％。KEMET的KONNEKT表面贴装电容器也采用了I类电介质材料，可提供较高电容值，范围从100pF到0.47μF。这些电容器在额定电压下仍能保持其99％以上的标称电容，非常适用于对时序要求严格、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（例如C1812C145J5JLC7805、C1812C944J5JLC7800和C1812C944J5JLC7805）由两到四个陶瓷电容器垂直或水平叠加而成，同时保持每个器件的完整性。通过叠加两个器件，C1812C944J5JLC7800陶瓷电容器提供0.94μF的电容，而通过将三个器件叠加在一起，C1812C145J5JLC7805陶瓷电容器的电容则提高至1.4μF。

这些MLCC利用瞬态液相烧结(TLPS)材料将组件的端接部分粘结在一起，形成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合剂，用于替代焊料。这种材料在两个表面之间形成冶金连接。

鉴于电容器可以在两个方向上进行集成，设计人员可以最大限度地减小组件基底面积，并最大限度地增加堆叠式MLCC器件的总电容（见图5），使KONNEKT陶瓷电容器能够实现以前只有II类电介质材料（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）
通过在低损耗方向上放置，只有很少的电能转化为热量，从而提高能效并进一步增强电容器的功率处理能力。在低损耗方向上放置还可以降低ESR和ESL，提高陶瓷电容器处理纹波电流的能力。TLPS材料与超稳定电介质的结合使得陶瓷电容器能够处理数百千赫兹范围内的极高纹波电流。例如，对于1812C145J5JLC7805 U2J 1.4μFKONNEKT电容器，在标准方向上安装时ESL为1.6nH，而在低损耗方向上安装时ESL降至0.4nH。同样，在低损耗方向上，ESR从1.3mΩ降至0.35mΩ，从而降低了系统损耗并限制了温度上升。

KEMET的U2J KONNEKT表面贴装电容器在-55°C至 125°C的范围内将其电容变化限制为-750±120 ppm/°C。这使得U2J陶瓷电容器的电容相对于直流电压的变化可以忽略，且电容相对于环境温度的线性变化是可预测的。

AC线路陶瓷电容器
前面提到的陶瓷电容器主要用于稳定和平滑直流电源轨上的电压和电流，以防止由快速开关操作引起的去耦尖峰。然而，陶瓷电容器也广泛应用于交流线路滤波、交流/直流转换器和功率因数校正(PFC)电路中。

需要注意的是，AC线路陶瓷电容器分为安全级和非安全级。虽然安全级电容器可以抑制电气噪声并保护设计免受过电压和瞬变的影响，但通过安全认证的MLCC无法提供更高的电容/电压(CV)等级。

非安全级AC陶瓷电容器具有各种尺寸和CV值，可以在交流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）
CAN系列陶瓷电容器采用X7R和C0G电介质材料。与DC链路电容器相似，C0G电介质在时间和电压方面没有电容变化，且与环境温度相关的电容变化可以忽略。另一方面，如CAN12X153KARAC7800和CAN12X223KARAC7800等陶瓷电容器中的X7R电介质在时间和电压方面具有可预测的电容变化，且对环境温度变化的影响较小。

CAN12X153KARAC7800陶瓷电容器的电容为0.015µF，而CAN12X223KARAC7800陶瓷电容器的电容为0.022µF。这两种MLCC器件的容差均为10％。

总结
随着功率传输系统体积的不断减小和更多功率器件封装在较小的尺寸内，MLCC在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。它们能够平滑DC和AC电压、稳定电流纹波，并确保功率设计寻求提高转换效率时具有良好的热管理性能。通过选择I类或II类电介质材料，设计人员可以根据特定应用需求调节MLCC的电容和其他关键参数（如ESR和ESL）。

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