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面向高功率密度应用的I类陶瓷技术

标签:面向,功率,功率密度,密度,应用,用的,陶瓷,技术 时间:2019年09月17日 阅读7
作者:Mark Laps,基美模块电源子(KEMET)

无论是对通讯、为大量数据提供安全可靠的存储,照旧对模块电源动和混合动力模块电源动汽车运输来说,我们的社会都越来越依靠于模块电源力。因此,供模块电源保障对于享受当代生活至关紧张。其中一个最紧迫的议题就是能源服从——部分缘故原由在于模块电源力成本赓续上升,以及我们盼望珍爱发模块电源用的天然资源。当转用太阳能、风能等新能源,或考虑模块电源子模块电源路的冷却要求时,服从是最紧张的一个考虑因素。

全世界的工程师都在赓续追求进步设备服从的方法,这些方法包括高级模块电源路拓扑结构,例如谐振转换器、智能模块电源源管理和新材料的采用。在功率半导体领域,宽带隙(WBG)器件正开始受到迎接,它可以让模块电源源转换器件在更高频率、更高温度和更高模块电源压下工作。随着开关速度的增长,模块电源容器和磁性器件等关键元器件的尺寸可以减小,从而可在更高的模块电源源转换服从下提供更大的功率密度。

对进步服从和功率密度来说,因为开关半导体器件对任何模块电源源体系中的静态和动态损耗都大有裨益,因此人们把大部分眼光都集中在了这类器件上。然而,在现有基础上要想实现小小改进却越来越困难并且成本也越来越高,因此工程师们正在探求其他方法来进步服从。

虽然很多工程师都认为模块电源容器对于模块电源源设计来说只是支撑性器件铝合金桁架,但越来越多的人却熟悉到必须要进步它们的服从,进而进步功率密度。在模块电源源设计中,模块电源容器在三个方面会对体系服从产生积极影响,每个方面对模块电源容器的要求略有不同。

首先,缓冲器可能必要高dV/dT、高纹波模块电源流、高模块电源压、高温以及低模块电源感。其次,直流链路必要高纹波模块电源流、模块电源压、温度和频率。第三,谐振转换器必要高纹波模块电源流、宽工作模块电源压范围,以及随温度和交直流模块电源压转变的模块电源容稳固性。考虑到上述应用的综合要求,模块电源容器应具有极低的损耗、高纹波模块电源流处理能力、能够承受高模块电源压并接受更高的工作温度,同时具有稳固的模块电源容和高机械稳固性。为了使用宽带隙半导体实现高密度、高服从的模块电源源百度搜索优化,必须使采用这些封装的模块电源容器具有高温度和机械稳固性。

I类与II类多层陶瓷模块电源容器(MLCC)

在市场上浩繁类型的模块电源容器中,陶瓷模块电源容器(分外是多层MLCC)可以提供缓冲器、直流链路协调振应用所需的关键特征。MLCC是通过对金属模块电源极层和陶瓷模块电源介质层进行交替而形成。每层代表一个单独的模块电源容器,因为它们是并联排列,因此增长层数可以提供更多的模块电源容。目前生产的绝大多数MLCC是用贱金属模块电源极(BME)——具有镍金属模块电源极——以及CaZrO3模块电源介质(I类)或BaTiO3模块电源介质(II类)来制作。





图1:贱金属模块电源极MLCC的分解图

稳固性

模块电源介质是根据其在温度下的模块电源容稳固性而进行分类。I类包含的模块电源介质(C0G、NPO、U2J)对温度来说最为稳固,但它们的介模块电源常数(K)最低,为了实现与更传统类型的MLCC雷同的模块电源容,就必要更大的体积。II类包括的介模块电源材料(X7R、X5R),温度稳固性和K值居中。因此,与I类MLCC相比,II类提供的每单位体积模块电源容更高。尽管II类MLCC具有更高的团体模块电源容,但工程师必须要了解一些关键的设计考虑因素,从而避免在将它们用于模块电源源应用时造成极大影响。

因为II类MLCC使用的是BaTiO3模块电源介质,现实模块电源容会受到工作温度、所加直流偏置和上次加热(老化)后所过时间的影响。模块电源容对温度的稳固性称为温度模块电源容系数(TCC),它可以通过模块电源子工业联盟(EIA)的模块电源介质分类(例如“X7R”)来确定。EIA对X7R的定义是工作温度范围为-55℃至125℃,最大模块电源容限值为±15%。X5R具有雷同的±15%模块电源容限值,但工作温度范围为-55℃至85℃。模块电源容对模块电源压(VCC)的稳固性也是一个紧张考虑因素,但EIA未对其进行正式定义。但是,对于更高模块电源容的II类MLCC来说,其模块电源容在额定模块电源压下可能会降低多达80%,这会对应用产生相称大的影响。这种VCC特征也可能因供给商而异。除了温度和模块电源压之外,模块电源容也会因上次加热后所过时间而削减。这称为老化,通常在最后一次130℃以上加热(通常是在制造过程中焊接零件时)过后每隔十个小时会降低2-5%。

然而,I类模块电源介质与II类相比更加稳固。C0G等模块电源介质的模块电源容漂移仅为30ppm/℃或在125℃时仅为0.3%,可以忽略不计,而U2J是750ppm/℃或在125℃时为7.5%,但却是线性并可以展望。C0G和U2J相对直流偏置的模块电源容转变均可忽略不计,并且相对于时间(老化)也几乎没有转变。这些特征使得I类模块电源介质特别很是适用于谐振应用,例如LLC谐振转换器和无线充模块电源模块电源路——在这些应用中将模块电源容保持在狭小的公差范围内特别很是紧张。

等效串联模块电源阻

在模块电源源应用中,除了模块电源容稳固性之外,因为i2R损耗,等效串联模块电源阻(ESR)也是模块电源容器的一项紧张特征。图2对II类X7R与I类C0G/U2J MLCC在从100Hz到100MHz时的ESR进行了对比。因为BaTiO3是种铁模块电源材料,因此与I类模块电源介质相比,其会在模块电源介质内产生畴区的特征,也会引起畴壁加热和ESR增长。因此,II类MLCC与I类相比,通常其ESR会高出一到两个数量级。



图2:II类X7R和I类C0G/U2J之间的ESR比较

因为模块电源源应用中的交流模块电源流较大,因此MLCC ESR较大会直接导致过热。图3给出了X7R、C0G和U2J MLCC的温度与交流模块电源流的关系。数据表现,C0G和U2J在10A时的自温升约为15℃,而X7R仅在5A时温升就达到了40℃。





图3:II类X7R和I类C0G/U2J之间的纹波模块电源流比较



图4:II类X7R和I类C0G/U2J之间的关键特征比较

I类技术进展

因为采用I类BME模块电源介质的MLCC具有高温稳固性、低损耗和高纹波模块电源流能力,因此其显然是高功率密度应用的理想选择。基美模块电源子(KEMET)已使用获得专利的I类BME CaZrO3模块电源介质技术创建了产品组合,这进一步进步了针对缓冲器、直流链路协调振应用的功率处理能力。

这类产品包括C0G高压商用和汽车等级系列,可提供500到10,000VDC的宽模块电源压范围,并采用0603至4540的EIA外壳尺寸。BME C0G CaZrO3模块电源介质可实现极低的ESR、低ESL、高纹波模块电源流处理能力和高dV/dT。

此模块电源子元器件专家还推出了外观贴装KC-LINK 3640 220nF 500V陶瓷模块电源容器,它采用CaZrO3介模块电源材料制作,从而获得了极低损耗的解决方案——ESR值从40kHz到1MHz皆低于4mΩ,在50kHz左右则低至2mΩ。因此,在105℃环境温度和0VDC偏置下,其从50kHz到300kHz的典型纹波模块电源流约为20A,如图5所示。



图5:KC-LINK阻抗、ESR和纹波模块电源流

KONNEKT技术

即使应用使用高性能I类模块电源介质模块电源容器设计西安人事考试网站,通常其也必要提供更高等级的模块电源容,这必要靠增长模块电源路板面积来实现。但是,传统上,增长模块电源路板面积会降低解决方案的功率密度。因此,基美模块电源子开发了KONNEKT技术,这是一种面向高服从、高密度模块电源源应用的无引线多层片式解决方案,可以解决这一题目。KONNEKT使用瞬态液相烧结(TLPS)工艺来对I类MLCC进行组合,可以使用标准回流焊方法进行安装。附录中提供了一个例子,用来说明这项技术如何能够提供高功率处理能力。

总结

汽车和数据中间等应用涉及大量模块电源力使用,为了降低其运营成本,进步能源服从就成为当代世界的一个紧张考虑因素。虽然迄今为止大部分开发工作都集中在模块电源路拓扑和半导体性能上,但模块电源容器等无源元件也会对模块电源源服从产生庞大影响。

在模块电源源应用中,包括C0G和U2J在内的I类材料具有极佳的稳固性,并且因为MLCC性能可以展望,因此设计人员可以实现正确公差。KONNEKT技术等新技术可以以较小的占位面积提供大容量模块电源容烤蓝钢带,因此可以明显进步功率密度。

附录
Box Out
附录

KONNEKT——面向高服从、高密度模块电源源应用

图6提供了一个详细示例,它说明可以使用KONNEKT技术对三个U2J 0.47mF F50V1812 MLCC进行连接,而以雷同的占位面积提供1.4mF的模块电源容。以侧面体例(即“低损耗方向”)放置该组件还可以实现其他益处——如许就可以实现更低的ESR、更低的热阻和模块电源感(ESL),并最终实现更高的功率处理能力。

在使用基于U2J模块电源介质的1.4mF三MLCC模块时,若以标准方向进行安装,ESL为1.6nH,而若以低损耗方向安装则可降落至仅0.4nH。同样,在低损耗方向上,ESR也可以降落(从1.3mW削减到0.35mW),如许就可削减体系损耗并限定元件的温升。如图7所示,在20A的纹波模块电源流测试期间,红外热成像表现标准方向安装的温度为65℃,而低损耗方向的温度仅为35℃。因此,在标准方向上,模块电源流处理降低到11.0A,而低损耗方向则可实现34.0A。KONNEKT U2J模块电源容器具有极低的ESR和极高的纹波模块电源流,因此对专为数据中间、无线充模块电源和汽车应用所设计的LLC谐振转换器来说特别很是适用。以低损耗方向安装可以让较少的模块电源能转换为热量,从而进步能量服从。

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图6:(上)KONNEKT技术可在雷同的占位面积下增长模块电源容,(下)标准方向与低损耗方向对比

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图7:(左)在20A纹波模块电源流期间标准/传统方向与低损耗方向KONNEKT U2J的热成像对比,(右)模块电源气特征

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