SiC逆变器中基于MLCC的高效电容器解决方案

在设计宽带隙子系统（例如SiC逆变器和LLC谐振转换器）时，在一些应用中，KEMET的I类MLCC，KC-LINK可以用作合适的高效电容器解决方案。

在SiC逆变器中，DC-Link电容器需要能够处理高纹波电流，高电压，高温（150C）和高频。H桥中的缓冲电容器需要能够处理高dV / dt，高纹波电流，高电压，高温（150C）和低电感。LLC谐振转换器中的谐振电容器可以是低电压也可以是高电压，具体取决于应用，其频率范围通常在100kHz至几MHz之间。它们要求低ESR和高纹波电流能力，以及电容稳定性随电压和温度的变化。  

由于具有许多特性，因此I类MLCC适用于这些类型的应用程序。I类电介质（例如C0G（NP0）和U2J）在其整个工作温度范围内具有非常稳定的介电常数（“ K”幅值）（图1）。介电常数用于通过以下公式计算电容器的电容。

“ K”越高，电容越大。X7R和X5R等II类电介质具有较高的介电常数，但在整个温度范围内它们的电容变化较大（图1）。X7R和X5R的电容可变化多达+ -15％。

电容随温度的变化称为电容温度系数（TCC）。

图1：相对电容与温度（TCC）

另一个重要特性是电容的电压系数（VCC）。

图2显示了II类X7R电容器从0V偏置到50VDC偏置时的电容变化。随着直流电压的增加，电容减小。电容将下降的量将取决于电介质材料，设计和施加的电压。较高的电压意味着MLCC层上的电场较高，这会增加这种影响。

随电压变化的电容稳定性不仅是直流电压，而且还包括交流电。如图2所示，根据该电容器的实际电容测量，电容从100mV时的-4.5％变为2.5Vrms时的正5％。当我们在数据表中列出电容器的额定电容时（对于本例而言为4.7uF），我们以1kHz 1Vrms作为基准电压进行测量。

图2还显示了C0G电容器在施加偏置时的电容变化。直流或交流电压的电容不变。

图2：电容稳定性与DC和AC电压的关系

由于i2R损耗，等效串联电阻（ESR）也是电力应用中电容器要考虑的重要特性。BaTiO3是一种铁电材料，因此与I类电介质相比，它可以在电介质和畴壁加热中产生畴区，并具有更高的ESR。II类MLCC通常具有比I类MLCC高两个数量级的ESR。I类C0G / U2J MLCC和II类X7R的ESR示例如图3所示。

图3：I类与II类的ESR

在电源应用中，高ESR以及高AC电流会导致过热。图4显示X7R仅用5Arms就增加了40C，而C0G和U2J电介质在10Arms下经历了约15C的自温度上升。

图4：I类与II类的温升

这些部件的RMS电压和电流能力也是重要的设计考虑因素。

在电流限制区域中，由于i2R损耗产生的热量，电容器受到限制。以下是大多数工程师在大学中学到的功率公式。

在这种情况下，“ I”是RMS电流，“ R”是电容器的ESR。通过将“ P”乘以MLCC的热阻（），可以将耗散的功率用于计算温升。该公式可以在下面找到。

图5显示了温升与交流电流的关系。设计工程师在选择零件时必须注意三个温度区域。

温度区	风险
高于环境温度≤25 ° C	低风险
高于环境温度25 ° C至≤50 ° C	中度风险，取决于应用
高于环境温度> 50 ° C	热失控的风险增加

表1：温度与风险

图5：温升与电流的关系

在电压限制区域中，我们需要考虑在不同的交流电压下会发生什么。采用公式：

如果交流电流保持恒定，则有两点需要注意。

较低的频率会导致较高的交流电压。

较低的电容会导致较高的交流电压。

即使纹波电流不会引起过热，也需要考虑峰值交流电压。KEMET的交流额定电压规则/公式可在下面找到，如图6所示。务必确保不超过交流电压。

图6：C0G交流电压额定值

图7一起显示了电压和电流限制区域。在较低的频率下，电容器的限制因素是交流电压，在较高的频率下，电容器的限制因素是交流电流。

图7：基于20°C允许温升的限流区域

KEMET的I类MLCC KC-LINK专为缓冲，谐振和DC-Link应用而设计。它旨在满足客户对WBG应用程序的要求。该系列具有较高的断裂模量（MOR），是其他电介质类型的> 2倍。它能够承受高的电路板挠性（> 3 mm），因此较大的外壳机械性能良好。这也有助于出色的热循环性能。与金属化聚丙烯薄膜技术相比，我们的C0G MLCC可以在很高的温度下运行。KEMET在260°C下进行了加速寿命测试，旨在确定我们150C级产品的磨损。8500年的MTTF计算表明磨损不是问题。

KEMET使用其新的包装技术KONNEKT，使用一种称为瞬态液相烧结（TLPS）的工艺将组件的端子粘合在一起，从而形成一个可表面安装的单个包装。TLPS是低熔点金属或合金与高熔点金属或合金的低温反应，形成反应的金属基体或合金，该金属基体或合金在两个表面之间形成冶金结合。

有两种不同的安装KONNEKT的方式：标准方向和低损耗方向。图3显示了4-MLCC堆栈的低损耗安装（左）和标准方向安装（右）的i2R加热情况。与低损耗相比，标准取向具有更高的自发热性。 

加热是由于标准取向的ESR比低损耗取向的ESR高。低损耗的ESR远低于标准方向。图8显示了低损耗ESR与标准取向之间的比较。低损耗方向的热阻可以比标准方向小3倍之多。低损耗取向表现出较低的ESR，较低的每瓦温度梯度和较低的总温升。重要的是要注意，使用较小的2芯片堆栈，这种影响可能会变得最小。

图8：低损耗的ESR与KONNEKT芯片的标准（传统）取向

当将我们的KC-LINK芯片与KONNEKT堆叠在一起时，低损耗取向比标准取向具有一些优势：更低的ESR，更低的电感和更高的SRF。无铅堆叠还导致用于电容器的面积较小。

作为总结，WBG谐振电路需要低损耗，高电流能力的电容器。BME Ni C0G MLCC解决方案在高温和高压下具有高可靠性，高纹波电流能力，高MOR和挠曲性。瞬态液相烧结技术（KONNEKT）可用于替代焊料（TLPS无铅），无铅封装可在给定的焊盘尺寸下实现更高的电容，垂直方向具有更高的SRF，更低的ESR和更少的波纹发热。带有KC-LINK的KONNEKT可提高板密度，并为客户提供更大的体积电容。

编辑：hfy