SiC逆變器中基于MLCC的高效電容器解決方案

在設(shè)計寬帶隙子系統(tǒng)（例如SiC逆變器和LLC諧振轉(zhuǎn)換器）時，在一些應(yīng)用中，KEMET的I類MLCC，KC-LINK可以用作合適的高效電容器解決方案。

在SiC逆變器中，DC-Link電容器需要能夠處理高紋波電流，高電壓，高溫（150C）和高頻。H橋中的緩沖電容器需要能夠處理高dV / dt，高紋波電流，高電壓，高溫（150C）和低電感。LLC諧振轉(zhuǎn)換器中的諧振電容器可以是低電壓也可以是高電壓，具體取決于應(yīng)用，其頻率范圍通常在100kHz至幾MHz之間。它們要求低ESR和高紋波電流能力，以及電容穩(wěn)定性隨電壓和溫度的變化。

由于具有許多特性，因此I類MLCC適用于這些類型的應(yīng)用程序。I類電介質(zhì)（例如C0G（NP0）和U2J）在其整個工作溫度范圍內(nèi)具有非常穩(wěn)定的介電常數(shù)（“ K”幅值）（圖1）。介電常數(shù)用于通過以下公式計算電容器的電容。

“ K”越高，電容越大。X7R和X5R等II類電介質(zhì)具有較高的介電常數(shù)，但在整個溫度范圍內(nèi)它們的電容變化較大（圖1）。X7R和X5R的電容可變化多達+ -15％。

電容隨溫度的變化稱為電容溫度系數(shù)（TCC）。

圖1：相對電容與溫度（TCC）

另一個重要特性是電容的電壓系數(shù)（VCC）。

圖2顯示了II類X7R電容器從0V偏置到50VDC偏置時的電容變化。隨著直流電壓的增加，電容減小。電容將下降的量將取決于電介質(zhì)材料，設(shè)計和施加的電壓。較高的電壓意味著MLCC層上的電場較高，這會增加這種影響。

隨電壓變化的電容穩(wěn)定性不僅是直流電壓，而且還包括交流電。如圖2所示，根據(jù)該電容器的實際電容測量，電容從100mV時的-4.5％變?yōu)?.5Vrms時的正5％。當我們在數(shù)據(jù)表中列出電容器的額定電容時（對于本例而言為4.7uF），我們以1kHz 1Vrms作為基準電壓進行測量。

圖2還顯示了C0G電容器在施加偏置時的電容變化。直流或交流電壓的電容不變。

圖2：電容穩(wěn)定性與DC和AC電壓的關(guān)系

由于i2R損耗，等效串聯(lián)電阻（ESR）也是電力應(yīng)用中電容器要考慮的重要特性。BaTiO3是一種鐵電材料，因此與I類電介質(zhì)相比，它可以在電介質(zhì)和疇壁加熱中產(chǎn)生疇區(qū)，并具有更高的ESR。II類MLCC通常具有比I類MLCC高兩個數(shù)量級的ESR。I類C0G / U2J MLCC和II類X7R的ESR示例如圖3所示。

圖3：I類與II類的ESR

在電源應(yīng)用中，高ESR以及高AC電流會導(dǎo)致過熱。圖4顯示X7R僅用5Arms就增加了40C，而C0G和U2J電介質(zhì)在10Arms下經(jīng)歷了約15C的自溫度上升。

圖4：I類與II類的溫升

這些部件的RMS電壓和電流能力也是重要的設(shè)計考慮因素。

在電流限制區(qū)域中，由于i2R損耗產(chǎn)生的熱量，電容器受到限制。以下是大多數(shù)工程師在大學中學到的功率公式。

在這種情況下，“ I”是RMS電流，“ R”是電容器的ESR。通過將“ P”乘以MLCC的熱阻（），可以將耗散的功率用于計算溫升。該公式可以在下面找到。

圖5顯示了溫升與交流電流的關(guān)系。設(shè)計工程師在選擇零件時必須注意三個溫度區(qū)域。

表1：溫度與風險

圖5：溫升與電流的關(guān)系

在電壓限制區(qū)域中，我們需要考慮在不同的交流電壓下會發(fā)生什么。采用公式：

如果交流電流保持恒定，則有兩點需要注意。

較低的頻率會導(dǎo)致較高的交流電壓。

較低的電容會導(dǎo)致較高的交流電壓。

即使紋波電流不會引起過熱，也需要考慮峰值交流電壓。KEMET的交流額定電壓規(guī)則/公式可在下面找到，如圖6所示。務(wù)必確保不超過交流電壓。

圖6：C0G交流電壓額定值

圖7一起顯示了電壓和電流限制區(qū)域。在較低的頻率下，電容器的限制因素是交流電壓，在較高的頻率下，電容器的限制因素是交流電流。

圖7：基于20°C允許溫升的限流區(qū)域

KEMET的I類MLCC KC-LINK專為緩沖，諧振和DC-Link應(yīng)用而設(shè)計。它旨在滿足客戶對WBG應(yīng)用程序的要求。該系列具有較高的斷裂模量（MOR），是其他電介質(zhì)類型的> 2倍。它能夠承受高的電路板撓性（> 3 mm），因此較大的外殼機械性能良好。這也有助于出色的熱循環(huán)性能。與金屬化聚丙烯薄膜技術(shù)相比，我們的C0G MLCC可以在很高的溫度下運行。KEMET在260°C下進行了加速壽命測試，旨在確定我們150C級產(chǎn)品的磨損。8500年的MTTF計算表明磨損不是問題。

KEMET使用其新的包裝技術(shù)KONNEKT，使用一種稱為瞬態(tài)液相燒結(jié)（TLPS）的工藝將組件的端子粘合在一起，從而形成一個可表面安裝的單個包裝。TLPS是低熔點金屬或合金與高熔點金屬或合金的低溫反應(yīng)，形成反應(yīng)的金屬基體或合金，該金屬基體或合金在兩個表面之間形成冶金結(jié)合。

有兩種不同的安裝KONNEKT的方式：標準方向和低損耗方向。圖3顯示了4-MLCC堆棧的低損耗安裝（左）和標準方向安裝（右）的i2R加熱情況。與低損耗相比，標準取向具有更高的自發(fā)熱性。

加熱是由于標準取向的ESR比低損耗取向的ESR高。低損耗的ESR遠低于標準方向。圖8顯示了低損耗ESR與標準取向之間的比較。低損耗方向的熱阻可以比標準方向小3倍之多。低損耗取向表現(xiàn)出較低的ESR，較低的每瓦溫度梯度和較低的總溫升。重要的是要注意，使用較小的2芯片堆棧，這種影響可能會變得最小。

圖8：低損耗的ESR與KONNEKT芯片的標準（傳統(tǒng)）取向

當將我們的KC-LINK芯片與KONNEKT堆疊在一起時，低損耗取向比標準取向具有一些優(yōu)勢：更低的ESR，更低的電感和更高的SRF。無鉛堆疊還導(dǎo)致用于電容器的面積較小。

作為總結(jié)，WBG諧振電路需要低損耗，高電流能力的電容器。BME Ni C0G MLCC解決方案在高溫和高壓下具有高可靠性，高紋波電流能力，高MOR和撓曲性。瞬態(tài)液相燒結(jié)技術(shù)（KONNEKT）可用于替代焊料（TLPS無鉛），無鉛封裝可在給定的焊盤尺寸下實現(xiàn)更高的電容，垂直方向具有更高的SRF，更低的ESR和更少的波紋發(fā)熱。帶有KC-LINK的KONNEKT可提高板密度，并為客戶提供更大的體積電容。

編輯：hfy