高压宽带隙谐振转换器中MLCC的设计注意事项

在设计SiC 逆变器和 LLC 谐振转换器等宽带隙子系统时，在一些应用中，KEMET 的 I 类 MLCC、KC-LINK 可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压或高压，具体取决于应用，频率范围通常在 100kHz 到几 MHz 之间。它们需要低 ESR 和高纹波电流能力，并具有电容稳定性与电压和温度的关系。  

I 类 MLCC 因其许多特性而适用于这些类型的应用。C0G (NP0) 和 U2J 等 I 类电介质在其整个工作温度范围内具有非常稳定的介电常数（“K”量级）（图 1）。介电常数用于使用以下公式计算电容器的电容。

“K”越高，电容越高。X7R 和 X5R 等 II 类电介质具有更高的介电常数，但它们在整个温度范围内的电容变化更大（图 1）。X7R 和 X5R 的电容变化幅度可达 +-15%。

这种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电压系数 (VCC)。

图 2 显示了 II 类 X7R 电容器从 0V 到 50VDC 偏置的电容变化。随着直流电压的增加，电容减小。电容下降的量取决于电介质材料、设计和施加的电压。更高的电压意味着 MLCC 层上的电场更高，这会增加这种影响。

电容随电压的稳定性不仅是直流电压，还包括交流电压。如图 2 所示，该电容器的实际电容测量值从 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，例如 4.7uF，我们以 1kHz 1Vrms 作为参考电压进行测量。

图 2 还显示了 C0G 电容器在施加偏置时的电容变化。电容不会随直流或交流电压发生变化。

图 2：电容稳定性与直流和交流电压的关系

由于 i2R 损耗，等效串联电阻 (ESR) 也是电源应用中电容器需要考虑的重要特性。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以及更高的 ESR 内创建畴区域。II 类 MLCC 的 ESR 比 I 类 MLCC 高两个数量级是很常见的。图 3 中可以看到 I 类 C0G/U2J MLCC 和 II 类 X7R 的 ESR 示例。

图 3：I 类与 II 类的 ESR

电源应用中的高 ESR 和高交流电流会导致过热。图 4 显示 X7R 仅在 5Arms 时就升高了 40C，而 C0G 和 U2J 电介质在 10Arms 时经历了大约 15C 的自温升。

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。

在电流受限区域，由于 i2R 损耗产生的热量，电容器受到限制。下面是大多数工程师在大学里学到的功率公式。

在这种情况下，“I”是 RMS 电流，“R”是电容器的 ESR。耗散功率可用于通过将“P”乘以 MLCC 的热阻 ( ) 来计算温升。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。

温区	风险
≤ 25 ° C 以上环境	低风险
> 25 ° C 至 ≤ 50 ° C 高于环境温度	中等风险，取决于应用
>高于环境温度50 ° C	热失控风险增加

表 1：温度与风险

图 5：温升与电流的关系

在电压限制区域，我们需要考虑不同的交流电压会发生什么。取公式：

ESL 大约为 1nH，因此它在交流电流上可以忽略不计，直到非常高的频率。

容抗可以改写为 1/(2*pi*f*C)。

如果交流电流保持恒定，这里有几件事需要注意。

较低的频率会导致较高的交流电压。

较低的电容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/公式可以在下面找到并显示在图 6 中。确保不超过交流电压非常重要。

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。在较低频率下，电容器的限制因素是交流电压，而在较高频率下，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 专为缓冲器、谐振和 DC-Link 应用而设计。它旨在满足客户对 WBG 应用的要求。该系列具有高断裂模量 (MOR)，是其他电介质类型的 2 倍以上。它能够承受高板弯曲（> 3 mm），因此大尺寸的机械性能良好。这也有助于实现出色的热循环性能。与金属化聚丙烯薄膜技术相比，我们的 C0G MLCC 可以在非常高的温度下运行。KEMET 在 260C 下进行了加速寿命测试，旨在确定我们 150C 额定产品的磨损。8500 年的计算 MTTF 显示磨损不是问题。

KEMET 使用其新的封装技术 KONNEKT，使用称为瞬态液相烧结 (TLPS) 的工艺将组件的端子粘合在一起，从而形成单个可表面贴装的封装。TLPS是低熔点金属或合金与高熔点金属或合金的低温反应，形成反应后的金属基体或合金，在两个表面之间形成冶金结合。

KONNEKT 有两种不同的安装方式：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。与低损耗相比，标准取向具有更高的自热。 

加热是由于标准取向比低损耗取向具有更高的 ESR。低损耗的 ESR 远低于标准取向。图 8 显示了低损耗和标准取向的 ESR 之间的比较。低损耗方向的热阻可以比标准方向小 3 倍。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。需要注意的是，当 2 个芯片堆栈较小时，这种影响会变得最小。

图 8：KONNEKT 芯片的低损耗与标准（传统）方向的 ESR

将我们的 KC-LINK 芯片与 KONNEKT 堆叠时，低损耗定向比标准定向提供了一些优势：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更小。

总而言之，WBG 谐振电路需要低损耗大电流电容器。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 和挠性。瞬态液相烧结技术 (KONNEKT) 可用于焊料替代（TLPS 是无铅的），在给定的焊盘尺寸和垂直方向上实现更高电容的无铅封装具有更高的 SRF、更低的 ESR 和更少的纹波加热。带有 KC-LINK 的 KONNEKT 增加了电路板密度并为客户提供了更多的大容量电容。

审核编辑：刘清