從物聯網 （IoT） 的數據服務器到電動汽車 （EV），電源系統設計人員總會面臨的共同壓力是如何實現更高的功率密度和轉換效率。盡管人們將更多精力放在實現這些改進目標的半導體開關器件上，但多層陶瓷電容器 （MLCC） 的固有特性意味著它們也可以在幫助設計人員滿足設計要求方面發揮重要作用。這些特性包括低損耗、高電壓和紋波電流處理能力、高耐壓能力以及極端工作溫度下的高穩定性。

本文介紹了MLCC的結構以及陶瓷電容器如何增強DC和AC供電軌的功率處理能力，同時還對快速開關模式半導體進行了補充說明。本文還闡明了I類和II類電介質，以及這些材料如何使微型MLCC能夠用于諸如緩沖器和諧振轉換器之類的電力系統。

MLCC是如何制造的？

MLCC是由陶瓷介電層和金屬電極的交替層構成的單片器件。MLCC中的疊層是在高溫下制成，以生產出具有高體積效率的燒結電容器件。接下來，在器件的裸露端集成一個導電性端接隔離系統，從而完成連接。

圖1：按照溫度穩定性和介電常數分類的陶瓷電介質。（圖片來源：KEMET）

陶瓷是非極性器件，容積效率更高，可以在更小的封裝尺寸內實現更高的電容。此外，這種器件在高頻工作時更可靠。這使得MLCC可以將電介質、端接系統、外形和屏蔽性能正確地組合在一起。

盡管如此，在為高功率密度應用選擇陶瓷電容器時，設計人員仍然需針對一些問題進行嚴格評估。首先，工作溫度、所施加的DC偏置和上次加熱后經過的時間都會影響電容。例如，上次加熱后經過的時間會引起電容變化，并導致電容器老化（圖2）。

圖 2：以“電容時間百分比”形式表示的老化率。（圖片來源：KEMET）

更重要的是，由于每個電容器都有一定的阻抗和自感，因此快速開關IGBT或MOSFET半導體器件產生的紋波會影響到性能。因此，當逆變器之類的設備偶爾需要大電流時，就必須通過電容器限制波動，這需要較高的紋波電流承受能力。

然后是電容器的有效串聯電阻 （ESR），該特性至關重要，表示在給定頻率和溫度下規定的內部總電阻。通過最小化ESR，設計人員可以減少發熱造成的功耗。

接下來，低有效串聯電感 （ESL） 會增加工作頻率范圍，并使陶瓷電容器進一步小型化。低ESR和低ESL共同提高電容器的功率處理能力，并使器件寄生效應最小化。而且，它們有助于降低損耗，從而使電容器能夠在高紋波電流水平下工作。

另一個關鍵的設計考慮因素是電介質材料的選擇。這將確定電容隨溫度變化的性能（圖3）。雖然I類電介質材料（例如C0G和U2J）提供了更高的溫度穩定性電介質，但它們的介電常數（K）較低。另一方面，II類材料（例如X7R和X5R）具有中等范圍的穩定性以及K值，而且還具有更高的電容值。

然而，對于快速開關電源系統，工作頻率越高，輸送功率所需的電容越低。這使得K值較低的陶瓷電容器可以代替笨重的高電容薄膜電容器，從而顯著提高功率密度。這種陶瓷電容器的基底面較小，因此可以安裝在更靠近快速開關半導體的位置，而且在高功率密度應用中所需的冷卻最少。

I類電介質材料MLCC

KEMET的KC-LINK電容器，例如CKC33C224KCGACAUTO（0.22微法拉（μF），500V）、CKC33C224JCGACAUTO（0.22μF，500V）和CKC18C153JDGACAUTO（15納法（nF），1000V）便是很好的例子。這類電容器使用1級鋯酸鈣電介質材料，有助于實現極其穩定的工作，而不會因開關頻率、所施加的電壓或環境溫度而引起電容損失。因為電容不會隨時間發生變化，因此低損耗鋯酸鈣電介質材料還能最大程度減少老化效應。

KC-LINK電容器利用C0G電介質技術實現了非常低的ESR并能夠管理非常高的紋波電流，而這恰恰是高功率密度設計所必需的。高機械強度使這些I類陶瓷電容器在安裝時無需使用引線框架，這也導致了極低的ESL。

這種陶瓷電容器可以在非常高的紋波電流下工作，且電容與DC電壓相比沒有變化，而電容在-55°C至150°C工作溫度范圍內的變化可忽略不計。它們的電容值范圍為4.7nF至220nF，額定電壓范圍為500V至1，700V。

此處值得注意的是，基于1類電介質材料的KC-LINK電容器提供的片上電容要比同等大小的2類電容器低。因此，如果需要更多的電容，則可以將多個KC-LINK電容器結合在一起，形成一個整體結構，以形成具有更高密度的封裝。

電容器合并的結果是一種類似于KC-LINK的低噪聲解決方案，但電容增加多達125％。KEMET的KONNEKT表面貼裝電容器也基于I類電介質材料，可提供100皮法（pF）至0.47μF的較高電容。這種電容器在額定電壓下仍可保持其99％以上的標稱電容，且非常適合對時序要求嚴格的應用、受溫度循環和電路板彎曲限制的應用。

通過疊接MLCC獲得更大電容

KONNEKT陶瓷電容器（包括C1812C145J5JLC7805、C1812C944J5JLC7800和C1812C944J5JLC7805）是通過垂直或水平疊接兩到四個陶瓷電容器而成，同時保持了各個器件的完整性。C1812C944J5JLC7800陶瓷電容器通過疊接兩個器件可提供0.94μF電容，而C1812C145J5JLC7805陶瓷電容器通過將三個器件疊接在一起將電容提高至1.4μF。

這些MLCC利用瞬態液相燒結 （TLPS） 材料將組件端接部分粘結在一起，從而構建出一種無鉛多片解決方案。無鉛多片解決方案使電容器與現有的回流工藝兼容。TLPS是一種由銅錫材料制成的金屬基復合材料粘接劑，用于替代焊料。這種材料在兩個表面（此處為U2J層）之間形成冶金結合。

鑒于電容器可以在兩個方向上集成這一事實，設計人員可最大限度減少組件基底面并最大限度增大堆疊式MLCC器件的總電容（圖5），從而使KONNEKT陶瓷電容器能夠達到以前只有II類電介質材料時（例如X5R和X7R）才能實現的電容范圍。

在沿低損耗方向上，只有較少的電能轉化為熱量，從而提高了能效并進一步增強了電容器的功率處理能力。沿低損耗方向還降低了ESR和ESL，從而提高了陶瓷電容器處理紋波電流的能力。

TLPS材料與超穩定電介質相結合，使陶瓷電容器能夠處理數百個千赫茲范圍內的極高紋波電流。例如，對于1812C145J5JLC7805 U2J 1.4μFKONNEKT電容器，沿標準方向安裝時ESL為1.6納亨（nH），而在沿低損耗方向上安裝時則降低至0.4nH。同樣，在沿低損耗方向上，ESR從1.3毫歐 （mΩ） 降低至0.35 mΩ，從而降低了系統損耗并限制了溫升。

KEMET的U2J KONNEKT表面貼裝電容器在–55°C至+125°C范圍內將其電容變化限定為–750±120 ppm/°C。這使得U2J陶瓷電容器的電容相對于DC電壓的變化可忽略不計，并且電容相對于環境溫度的線性變化可預測。

AC線路陶瓷電容器

以上各節中提到的陶瓷電容器可穩定并平滑DC電源軌上的電壓、電流，從而防止因快速開關操作而導致去耦尖峰。但是，陶瓷電容器也用在交流線路濾波、交流/直流轉換器和功率因數校正 （PFC） 電路中。

在此，請務必注意，AC線路陶瓷電容器有安全和非安全級格式。盡管安全級電容器可以抑制電氣噪聲并保護設計免受過電壓、瞬變的影響，但這些通過安全認證的MLCC卻無法提供更高的電容/電壓（CV） 等級。

具有各種尺寸和CV值的非安全級AC陶瓷電容器可在AC線路條件下連續使用。KEMET的 CAN系列陶瓷電容器符合50/60Hz線路頻率、250VAC交流線路條件和其他非安全應用的要求。

AC線路電容器在較高頻率下具有低泄漏電流和低ESR（圖6）。該系列既適用于線對線（X類），又適用于線對地（Y類）應用，并且符合IEC 60384標準中的脈沖規定。

CAN系列陶瓷電容器均采用了X7R和C0G電介質材料。如DC鏈路電容器所示，C0G電介質相對于時間和電壓均未出現電容變化，而且相對于環境溫度而言電容變化可忽略。另一方面，在諸如CAN12X153KARAC7800和CAN12X223KARAC7800等的陶瓷電容器中，X7R在相對于時間和電壓時，電容變化可預測，而且由于環境溫度而導致的電容變化最小。

CAN12X153KARAC7800陶瓷電容器的電容為0.015μF，而CAN12X223KARAC7800器件的電容為0.022μF。這兩種MLCC器件的容差都是10％。

總結

隨著功率傳輸系統的體積不斷縮小以及將更多功率器件封裝在更小的尺寸內，MLCC在從服務器電源到無線充電器，再到逆變器的設計中發揮著至關重要的作用。它們可平滑DC和AC電壓、穩定電流紋波，并確保尋求提高轉換效率的電源設計具有熱管理性能。如本文所示，通過選擇I類或II類電介質材料，設計人員能夠根據特定應用需求來調節MLCC的電容和其他關鍵參數（如ESR和ESL）。

原文標題：電源工程師為什么都愛用MLCC？本文的分析很到位~

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責任編輯：haq