現代世界是一個耗電量巨大的地方，預計到2020年需求將超過30皮瓦[1]。推動這一數字增長的引人注目的應用是5G蜂窩網絡，物聯網（IoT），數據中心的不懈擴展以及現在的EV充電。電網上的所有這些負載都通過功率轉換器進行路由，將線路AC轉換為最終電路所需的DC電平。也許令人驚訝的是，根據非政府組織CLASP[2]，工業中的馬達也是能源需求的巨大貢獻者，占全球總消費量的53％。這些也越來越多地由智能DC-AC逆變器或變頻驅動器（VFD）驅動，這些變頻器在改善功能的同時節省了能源。

在所有這些應用中，功率轉換的效率都是一個主要問題，每個百分點的提高代表著運營支出的減少，對環境的影響也較小。盡管過去通過半導體技術的進步已經取得了重大進展，但是由于效率曲線的指數性質，實現這些成就變得越來越困難。因此，盡管從99％提高到99.5％的0.5％聽起來是可以實現的，但實際上它要求將顯示的功率損耗減半。現在，不應該將精力集中在整個系統上，而是將注意力集中在整個系統上，而不是完全專注于IC。盡管以前被忽略了，

電容器也會造成功率損耗

在功率轉換系統中，電容器最常被用作“去耦”，以吸收濾波器中的高頻紋波電流，從而降低中間DC總線或輸出或“緩沖”網絡中的紋波電壓，以限制半導體上可能有害的瞬態電壓。在大功率總線或“ DC鏈路”上，電容器可能會遇到數十安培或數百安培的高壓，高溫以及高頻和低頻紋波電流的組合。作為緩沖器，情況可能與高dV / dt電平的額外應力要求低寄生電感相似。在高效諧振轉換器中還有一個相對較新的應用，在該諧振轉換器中，需要電容器來耦合諧振“儲罐”中的滿載功率，從而要求高紋波電流額定值，在整個溫度范圍內的電容穩定性以及寬的DC和AC工作范圍。2R損耗會產生散熱并可能導致熱失控。

在這些應用中，已使用薄膜或什至電解電容器類型來實現所需的高電容值，但組件的物理尺寸較大以最小化ESR。但是，隨著開關頻率隨時間增加，這意味著所需的電容水平成比例降低。這開辟了使用具有高紋波電流額定值和極低ESR特性的多層陶瓷電容器（MLCC）的可能性。

MLCC類型的選擇很重要

MLCC分為兩類：I類具有CaZrO3電介質，II類使用BaTiO3。在這些類別中，存在具有不同溫度穩定性特征的類型。例如，I類中的C0G，NPO，U2J具有良好的穩定性，但單位體積的電容量較低，而II類中的X7R和X5R具有很高的實際電容值，但是，實際電容值會隨工作溫度，直流偏置和“最后加熱后的時間”而變化（老化）。

I類類型通常適用于緩沖器和諧振轉換器，例如用于無線充電的設備，其中穩定性和低ESR很重要，但所需的電容值通常較低。II類類型X7R和X5R可用于需要數十甚至數百微法拉的場合，但它們的ESR值可能比I類類型高兩個數量級（圖1）。

圖1：X7R和C0G / U2J MLCC的ESR頻率圖（來源：KEMET）

II類MLCC的較高ESR值不可避免地導致較高的損耗和溫度上升。以KEMET為例，對1812封裝類型之間的比較顯示，U2J和C0G MLCC的上升溫度低于5°C，而X7R封裝的上升電流則為40A，兩者均以5A rms的紋波電流實現。KEMET的額定溫度為150°C的KC-LINKTM[3]的I類類型也比等效的II類MLCC具有更強的穩定性，其斷裂模量（MOR）約為2倍。這樣就避免了在電容器結構中使用引線框架，從而將等效串聯電感（ESL）降至1nH以下。現在，可用的電容值在微法拉范圍內，很明顯，I類類型是最低損耗的最佳解決方案。

當需要更高的電容值時，可以將I類MLCC并聯，而不必占用更多的電路板空間。KEMET KONNEKTTM技術在標準方向或低損耗方向上堆疊1812尺寸的電容器，后一種方式可提供最低的ESR和ESL，從而將損耗降至最低（圖2）。例如，它們的U2J 1.4μF組件（三個0.47μF類型的堆棧）在標準方向上的ESR為1.3毫歐，在低損耗方向上的ESR為0.35毫歐，而ESL同樣從1.6nH降至0.4nH。

圖2：KEMET KONNEKTTM技術在相同的占位面積上增加了標準方向和低損耗方向的電容

有時候，一切都與容量有關

在某些應用中，給定體積中的最大電容是優先事項。例如，當電源中斷時，需要在DC總線上進行保持。保持時間為T時所需的電容C，而由電源P加載的總線電壓從V1下降到V2的公式為：

C = 2 x P x T /（V12-V22）

例如，對于僅100W的負載和數據中心總線上的10ms保持時間從48V降至36V的情況，所需的C為2000μF。

對于MLCC，所需的許多II類并聯零件的占位面積可能會過高，尤其是當它們在額定電壓和溫度附近工作時，實際電容會顯著下降。鋁電解電容器會更小，但壽命有限且具有較高的ESR，但現在可以考慮使用的替代品是鉭聚合物電容器，其容量比II類MLCC更好，但在施加的電壓和溫度下穩定，且ESR高于II類MLCC，但仍優于鋁電解。[4]。

電感也有損耗

電感器用于濾波器中的功率轉換，在濾波器中，電容器像電容器一樣，可以看到高連續電流，并且有交流紋波疊加。在使用同步整流的現代AC-DC轉換器設計中，紋波電流與DC值在數量級上相當普遍，例如，在數據中心可能為數百安培。AC分量會產生磁滯和渦流磁芯損耗，這些損耗在很大程度上取決于頻率和磁芯材料，而DC分量則導致繞組線的電阻耗散。選擇具有高飽和磁通密度和低固有交流損耗的鐵心材料可減少繞組匝數，從而將總的直流電阻和直流損耗降至最低。金屬復合芯，例如METCOM系列[5]KEMET的KEMET是一種受歡迎的選擇，具有較低的AC和DC損耗以及在溫度和電流范圍內具有穩定的電感。

圖3：具有模壓金屬復合芯的低損耗電感器（KEMET METCOM系列）

結論

隨著功率轉換器效率預期的提高，無源元件中的損耗正變得越來越成問題。但是，可以使用新技術組件，這些組件可以幫助設計人員將其推向理論極限。

編輯：hfy