Profiteer van keramische condensators om de vermogensdichtheid en het omzettingsrendement te verhogen.

Van dataservers voor het internet der dingen (IoT) tot elektrische voertuigen (EV's), ontwerpers van energiesystemen blijven onder constante druk staan om een hogere vermogensdichtheid en omzettingsefficiëntie te bereiken. Hoewel veel aandacht is besteed aan halfgeleiderschakelaars om deze verbeteringen te bereiken, betekenen de inherente kenmerken van meerlagige keramische condensatoren (MLCC's) dat zij ook een belangrijke rol kunnen spelen om ontwerpers te helpen aan hun ontwerpeisen te voldoen. Deze kenmerken omvatten lage verliezen, hoge voltage en rimpelstroom behandelingscapaciteiten, hoge voltage weerstaan capaciteit, en hoge stabiliteit over werkende temperatuuruitersten.

Dit artikel beschrijft de constructie van MLCCs en hoe keramische condensatoren de belastbaarheid in DC- en AC-rails verhogen, terwijl ze tegelijkertijd een aanvulling vormen op snel schakelende halfgeleiders. Het werpt ook licht op de diëlektrische materialen van klasse I en klasse II en de manier waarop miniatuur MLCCs kunnen worden gebruikt voor vermogenssystemen zoals snubbers en resonante converters.

Hoe MLCCs zijn opgebouwd

MLCCs zijn monolithische apparaten die zijn opgebouwd uit afwisselende lagen keramisch diëlektricum en metaalelektroden (figuur 1). De gelamineerde lagen in MLCCs worden bij hoge temperaturen opgebouwd om een gesinterd en volumetrisch efficiënt capaciteitsapparaat te produceren. Vervolgens wordt een geleidend afsluitbarrièresysteem geïntegreerd op de blootliggende uiteinden van het toestel om de verbinding te voltooien.

Figuur 1: Keramische diëlektrische materialen worden gecategoriseerd volgens temperatuurstabiliteit en diëlektrische constante. (Afbeelding bron: KEMET)

Keramiek, de niet-polaire elementen die een groter volumetrisch rendement bieden, kunnen een hogere capaciteit leveren in kleinere verpakkingen. Bovendien zijn ze betrouwbaarder bij hoge frequenties. Hierdoor kunnen MLCCs de juiste combinatie van diëlektricum, afsluitingssysteem, vormfactor en afscherming bieden.

Toch moeten ontwerpers bij de keuze van keramische condensatoren voor toepassingen met hoge vermogensdichtheid op verschillende punten de nodige zorgvuldigheid aan de dag leggen. Om te beginnen kan de capaciteit worden beïnvloed door de bedrijfstemperatuur, de toegepaste DC bias, en de tijd na de laatste verhitting. De tijd na de laatste verhitting kan bijvoorbeeld een verschuiving in de capaciteit veroorzaken, wat leidt tot veroudering van de condensator (figuur 2).

Figuur 2: De verouderingspercentages in capaciteitspercentages in de tijd. (Afbeelding bron: KEMET)

Nog belangrijker is dat de rimpelingen die worden opgewekt door snel schakelende IGBT- of MOSFET-halfgeleiders de prestaties kunnen beïnvloeden, omdat elke condensator een zekere impedantie en zelfinductie heeft. Het is dus van het grootste belang dat condensatoren de schommelingen beperken, omdat apparaten zoals omvormers sporadisch zware stromen vragen, waarvoor een hoge rimpelstroomtolerantie vereist is.

Dan is er nog de effectieve serieweerstand (ESR) van de condensator, een essentiële eigenschap die de totale inwendige weerstand weergeeft zoals gespecificeerd bij een bepaalde frequentie en temperatuur. Door de ESR tot een minimum te beperken, vermindert een ontwerper het vermogensverlies ten gevolge van warmteontwikkeling.

Een lage effectieve serie-inductie (ESL) vergroot het werkfrequentiebereik en maakt verdere miniaturisering van keramische condensatoren mogelijk. Een lage ESR en een lage ESL samen verhogen het vermogen van een condensator en minimaliseren de parasieten van het apparaat. Bovendien dragen zij bij tot lagere verliezen, die op hun beurt condensatoren in staat stellen te werken bij hoge rimpelstroomniveaus.

Een andere kritische ontwerpoverweging is de keuze van het diëlektrisch materiaal. Dit bepaalt de verandering in capaciteit over de temperatuur (figuur 3). Diëlektrische materialen van klasse I, zoals C0G en U2J, zijn weliswaar temperatuurstabieler, maar hebben een lagere diëlektrische constante (K). Anderzijds hebben klasse II-materialen zoals X7R en X5R een gemiddelde stabiliteit en K-waarde, terwijl ze veel hogere capaciteitswaarden bieden.

Figuur 3: Diëlektrische materialen van klasse I en klasse II verschillen vooral in de mate waarin de capaciteit verandert bij een bepaalde temperatuur. (Bron afbeelding: KEMET)

Voor snel schakelende voedingssystemen geldt echter: hoe hoger de bedrijfsfrequentie, hoe lager de capaciteit die nodig is om vermogen te leveren. Hierdoor kunnen keramische condensatoren met een lagere K de omvangrijke filmcondensatoren met hoge capaciteit vervangen, waardoor de vermogensdichtheid aanzienlijk wordt verhoogd. Deze keramische condensatoren hebben een kleinere voetafdruk, zodat zij dichter bij snel schakelende halfgeleiders kunnen worden gemonteerd, terwijl zij toch een minimale koeling vereisen in toepassingen met hoge vermogensdichtheid.

Klasse I diëlektrische MLCCs

KEMET's KC-LINK condensatoren zoals de CKC33C224KCGACAUTO (0,22 microfarad (µF), 500 volt), de CKC33C224JCGACAUTO (0,22 µF, 500 volt), en de CKC18C153JDGACAUTO (15 nanofarad (nF), 1000 volt) zijn goede voorbeelden van klasse 1. Zij maken gebruik van diëlektrisch materiaal van klasse 1 calciumzirkonaat dat een uiterst stabiele werking mogelijk maakt zonder capaciteitsverlies ten gevolge van schakelfrequentie, toegepaste spanning of omgevingstemperatuur. Het diëlektrische materiaal met laag verlies van calciumzirkonaat minimaliseert ook de verouderingseffecten omdat er geen capaciteitsverschuiving is in de tijd.

De KC-LINK condensatoren gebruiken C0G diëlektrische technologie om een zeer lage ESR te bereiken, en de capaciteit om een zeer hoge rimpelstroom te beheren die voor ontwerpen met hoge machtsdichtheid noodzakelijk is. Dankzij de grote mechanische robuustheid kunnen deze keramische condensatoren van klasse I worden gemonteerd zonder gebruik te maken van loodframes, hetgeen ook bijdraagt tot een uiterst lage ESL.

Deze keramische condensatoren kunnen werken bij zeer hoge rimpelstromen zonder verandering in capaciteit ten opzichte van de DC-spanning, en met verwaarloosbare verandering in capaciteit ten opzichte van een bedrijfstemperatuurbereik van -55°C tot 150°C. Zij zijn beschikbaar met capaciteitswaarden die zich uitstrekken van 4,7 nF tot 220 nF, en spanningsclassificaties die zich uitstrekken van 500 volts tot 1.700 volts (Fig. 4).

Figuur 4: Met een bedrijfstemperatuur van 150°C kunnen KC-LINK keramische condensatoren dichter bij snel schakelende halfgeleiders worden geplaatst in toepassingen met hoge vermogensdichtheid die een minimale koeling vereisen. (Bron afbeelding: KEMET)

In dit verband dient te worden opgemerkt dat KC-LINK-condensatoren, die zijn gebaseerd op diëlektrisch materiaal van klasse 1, een lagere capaciteit op de chip bieden dan condensatoren van klasse 2 van vergelijkbare grootte. Dus, als meer capaciteit nodig is, kunnen meerdere KC-LINK condensatoren worden samengebonden in een enkele monolithische structuur om een hogere dichtheid verpakking te creëren.

Het resultaat van deze condensatorconsolidatie is een ruisarme oplossing die vergelijkbaar is met KC-LINK, maar met tot 125 procent meer capaciteit. KEMET's KONNEKT opbouwcondensatoren, eveneens gebaseerd op een Klasse I diëlektrisch materiaal, bieden hogere capaciteitswaarden gaande van 100 picofarad (pF) tot 0.47 µF. Zij behouden meer dan 99% van hun nominale capaciteit bij nominale spanningen en zijn zeer geschikt voor timing-critical en toepassingen die onderhevig zijn aan temperatuurcycli en board flexure.

Stapelen van MLCCs voor meer capaciteit

De keramische condensatoren van KONNEKT, met inbegrip van de C1812C145J5JLC7805, de C1812C944J5JLC7800, en de C1812C944J5JLC7805, worden gecreëerd door twee tot vier keramische condensatoren verticaal of horizontaal te stapelen met behoud van de integriteit van het apparaat. De keramische condensator C1812C944J5JLC7800 biedt een capaciteit van 0,94 µF door twee apparaten op elkaar te stapelen, terwijl de keramische condensator C1812C145J5JLC7805 de capaciteitswaarde op 1,4 µF brengt met drie op elkaar gestapelde apparaten.

Deze MLCC's maken gebruik van het transient liquid phase sintering (TLPS) materiaal om componentaansluitingen aan elkaar te lijmen en zo een loodvrije multi-chip oplossing te creëren. De loodvrije multi-chip oplossing maakt de condensator compatibel met bestaande reflow processen. TLPS, een metaalmatrix-composietverbinding van koper-tin-materiaal, wordt gebruikt ter vervanging van soldeer. Het vormt een metallurgische verbinding tussen twee oppervlakken, in dit geval de U2J-lagen.

Het feit dat condensatoren in beide richtingen kunnen worden geïntegreerd, minimaliseert de voetafdruk van de component en maximaliseert de bulkcapaciteit van een gestapeld MLCC-apparaat (figuur 5), waardoor keramische condensatoren van KONNEKT het capaciteitsbereik kunnen bereiken dat voorheen alleen mogelijk was met klasse II diëlektrische materialen zoals X5R en X7R.

Figuur 5: MLCCs kunnen worden gestapeld om de capaciteit te verhogen en kunnen in een verliesarme oriëntatie worden geplaatst om de ESR en ESL te verlagen. (Bron afbeelding: KEMET)

In een verliesarme oriëntatie wordt minder elektrische energie omgezet in warmte, wat op zijn beurt de energie-efficiëntie verbetert en de vermogensverwerkingscapaciteit van een condensator verder vergroot. De oriëntatie met laag verlies verlaagt ook zowel ESR als ESL en verhoogt zo het vermogen van een ceramische condensator om rimpelspanningen te verwerken.

Het gebruik van TLPS-materiaal, gecombineerd met een ultrastabiel diëlektricum, stelt keramische condensatoren in staat extreem hoge rimpelstromen in het honderden kilohertz-bereik te verwerken. Bijvoorbeeld, met de C1812C145J5JLC7805 U2J 1,4 μF KONNEKT condensator is de ESL 1,6 nanohenry (nH) bij montage in standaard oriëntatie, maar deze vermindert tot 0,4 nH in low-loss oriëntatie. Evenzo wordt bij een oriëntatie met laag verlies de ESR verlaagd van 1,3 milliohm (mΩ) tot 0,35 mΩ, waardoor de systeemverliezen worden verlaagd en de temperatuurstijging wordt beperkt.

KEMET's U2J KONNEKT opbouwcondensatoren beperken hun capaciteitsverandering tot -750 ±120 deeltjes per miljoen (ppm)/°C over temperaturen gaande van -55°C tot +125°C. Hierdoor vertoont de keramische condensator U2J een verwaarloosbare capaciteitsverschuiving ten opzichte van de gelijkspanning, en een voorspelbare lineaire verandering van de capaciteit met betrekking tot de omgevingstemperatuur.

AC lijn keramische condensatoren

De in de bovenstaande paragrafen genoemde keramische condensatoren stabiliseren en egaliseren de spanning en stroom op DC-rails en voorkomen zo ontkoppelingspieken die worden veroorzaakt door snel schakelen. Keramische condensatoren worden echter ook gebruikt in AC-lijnfiltering, AC/DC-omzetters, en vermogensfactorcorrectie (PFC)-circuits.

Hier is het belangrijk op te merken dat AC lijn keramische condensatoren zowel in veiligheids- als in niet-veiligheidsgeschatte formaten bestaan. Hoewel de condensatoren met veiligheidsclassificatie elektrische ruis onderdrukken en ontwerpen beschermen tegen overspanningen en transiënten, zijn hogere capaciteits-/spanningsniveaus (CV) niet beschikbaar in deze MLCCs met veiligheidscertificatie.

Niet-veiligheidsgeschatte AC ceramische condensatoren, beschikbaar in een verscheidenheid van grootte en CV-waarden, kunnen voor ononderbroken gebruik in AC lijnvoorwaarden worden gebruikt. KEMET's CAN serie van keramische condensatoren zijn gekwalificeerd voor AC lijn condities van 250 VAC bij 50/60 Hz lijn frequenties en andere niet-veiligheidstoepassingen.

Figuur 6: De AC-lijncondensatoren van de CAN-serie bieden een lage lekstroom en een lage ESR bij hogere frequenties. (Bron afbeelding: KEMET)

De AC-lijncondensatoren hebben een lage lekstroom en een lage ESR bij hoge frequenties (figuur 6). Zij zijn geschikt voor zowel line-to-line (klasse X) als line-to-ground (klasse Y) toepassingen, en zij voldoen aan de impulscriteria van de IEC 60384-norm.

De keramische condensatoren van de CAN-serie zijn verkrijgbaar in zowel X7R- als C0G-diëlektrische materialen. Het C0G diëlektricum, zoals aangetoond in het geval van DC verbindingscondensatoren, vertoont geen verandering in capaciteit met betrekking tot tijd en spanning, en het vertoont slechts een te verwaarlozen verandering in capaciteit met betrekking tot de omgevingstemperatuur. Anderzijds vertoont X7R in keramische condensatoren zoals de CAN12X153KARAC7800 en de CAN12X223KARAC7800 een voorspelbare verandering in capaciteit met betrekking tot tijd en spanning, en vertoont het een minimale verandering in capaciteit als gevolg van de omgevingstemperatuur.

De keramische condensator CAN12X153KARAC7800 biedt een capaciteitswaarde van 0,015 µF, terwijl het apparaat CAN12X223KARAC7800 een capaciteit van 0,022 µF heeft. Beide MLCC's hebben een tolerantie van 10%.

Conclusie

Naarmate de stroomvoorzieningssystemen verder krimpen en meer vermogen verpakken in kleinere vormfactoren, spelen MLCCs een cruciale rol in ontwerpen die variëren van servervoedingen tot draadloze laders en stroomomvormers. Zij egaliseren gelijk- en wisselspanning, stabiliseren stroomrimpels en zorgen voor thermisch beheer in vermogensontwerpen die de omzettingsefficiëntie willen verbeteren. Zoals hier getoond, biedt de keuze van klasse I en klasse II diëlektrica MLCCs de mogelijkheid om de capaciteit en andere kritische parameters zoals ESR en ESL aan te passen aan de specifieke toepassingsbehoeften.