在大功率和大數(shù)據(jù)的世界中，無源組件也必須高效

現(xiàn)代世界是一個耗電的地方，2020 年的需求預計將超過 30 拍瓦[1]。推動這一數(shù)字的備受矚目的應用是 5G 蜂窩網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng) (IoT)、數(shù)據(jù)中心的不斷擴展以及現(xiàn)在的電動汽車充電。電網(wǎng)上的所有這些負載都通過電源轉(zhuǎn)換器進行路由，將線路交流電轉(zhuǎn)換為終端電路所需的直流電電平。也許令人驚訝的是，工業(yè)電機也是能源需求的巨大貢獻者，據(jù)非政府組織 CLASP [2] 稱，占全球總消耗量的 53% 。這些也越來越多地由智能 DC-AC 逆變器或變頻驅(qū)動器 (VFD) 驅(qū)動，這些驅(qū)動器在節(jié)能的同時改善了功能。

在所有這些應用中，電力轉(zhuǎn)換效率是一個主要問題，每增加一個百分點就代表著運營費用的減少和對環(huán)境的影響更小。盡管過去通過半導體技術(shù)的進步取得了顯著的收益，但由于效率曲線的指數(shù)性質(zhì)，這些收益越來越難以實現(xiàn)。因此，雖然從 99% 到 99.5% 的 0.5% 改進聽起來很容易實現(xiàn)，但實際上需要將顯示的功率損失減半?，F(xiàn)在需要考慮在整個系統(tǒng)中獲得收益的方法，而不是完全專注于 IC。雖然之前被忽視，

電容器也會導致功率損耗

在電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，電容器最常用作“去耦”以吸收濾波器中的高頻紋波電流，降低中間直流總線或輸出上的紋波電壓，或在“緩沖器”網(wǎng)絡中限制半導體上潛在的破壞性瞬態(tài)電壓。在高功率總線或“直流鏈路”上，電容器可能會遇到高電壓、高溫以及數(shù)十或數(shù)百安培的高頻和低頻紋波電流的組合。作為緩沖器，條件可能與需要低寄生電感的高 dV/dt 水平的額外壓力相似。在高效諧振轉(zhuǎn)換器中還有一個相對較新的應用，其中需要電容器來耦合諧振“槽”中的滿負載功率，需要高紋波電流額定值、溫度范圍內(nèi)的電容穩(wěn)定性以及寬直流和交流工作范圍。2 R 損耗會導致散熱和可能的熱失控。

在這些應用中，薄膜或什至電解電容器類型已被用于實現(xiàn)所需的高電容值，但組件的物理尺寸較大以最大限度地降低 ESR。然而，隨著開關(guān)頻率隨著時間的推移逐漸上升，這意味著所需的電容水平已成比例地降低。這開辟了采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類使用CaZrO 3電介質(zhì)，II 類使用 BaTiO 3。在這些類別中，有具有不同溫度穩(wěn)定性特性的類型；例如，I 類中的 C0G、NPO、U2J 具有良好的穩(wěn)定性，但單位體積的電容較低，而 II 類中的 X7R 和 X5R 具有很高的實際電容值，但會隨工作溫度、直流偏置和“最后一次加熱后的時間”而變化（老化）。

I 類類型通常適用于緩沖器和諧振轉(zhuǎn)換器，例如用于無線充電，其中穩(wěn)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(shù)十甚至數(shù)百微法拉的場合，但它們的 ESR 值可能比 I 類類型高兩個數(shù)量級（圖 1）。

圖 1：X7R 和 C0G/U2J MLCC 隨頻率變化的 ESR 圖（來源：KEMET）

II 類 MLCC 的更高 ESR 值不可避免地導致更高的損耗和溫升。例如來自 KEMET 的 1812 封裝類型之間的比較顯示，U2J 和 C0G MLCC 的上升不到 5°C，而 X7R 型上升 40°C，均在 5A rms 紋波電流下。來自 KEMET 的額定 150°C KC-LINK TM [3]范圍內(nèi)的I 類類型也比具有大約 2 倍斷裂模量 (MOR) 的等效 II 類 MLCC 更堅固。這避免了在電容器結(jié)構(gòu)中需要引線框架，從而將等效串聯(lián)電感 (ESL) 降低到 1nH 以下。由于電容值現(xiàn)在在微法拉范圍內(nèi)，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，I 類 MLCC 可以并聯(lián)，而不必消耗更多的電路板空間；KEMET KONNEKT TM技術(shù)以標準方向或低損耗方向堆疊 1812 尺寸電容器，后一種排列提供最低的 ESR 和 ESL，以實現(xiàn)最小的損耗（圖 2）。例如，他們的 U2J 1.4μF 組件，由三個 0.47μF 類型堆疊而成，標準方向的 ESR 為 1.3 毫歐，低損耗方向的 ESR 為 0.35 毫歐，ESL 同樣從 1.6nH 降低到 0.4nH。

圖 2：KEMET KONNEKT TM技術(shù)在相同尺寸的標準和低損耗方向上增加了電容

有時一切都與容量有關(guān)

在某些應用中，給定體積內(nèi)的最大電容是優(yōu)先事項。一個例子是當電源出現(xiàn)故障時需要在直流總線上保持。所需的電容C，保持時間T，而總線電壓從V1下降到V2由功率 P 加載由下式給出：

C = 2 x P x T/(V1 2 -V2 2 )

例如，對于數(shù)據(jù)中心總線上的 100W 負載和 10ms 保持時間從 48V 降至 36V，所需的 C 為 2000μF。

對于 MLCC，所需的許多 II 類并聯(lián)部件的占用空間可能會令人望而卻步，尤其是當它們在實際電容顯著下降的額定電壓和溫度附近運行時。鋁電解電容器會更小但壽命有限且 ESR 高，但現(xiàn)在可以考慮的替代方案是鉭聚合物電容器，它的體積容量比 II 類 MLCC 好得多，但在施加的電壓和溫度下穩(wěn)定，ESR 高于II 類 MLCC，但仍優(yōu)于鋁電解液。[4]。

電感也有損耗

電感器用于濾波器中的功率轉(zhuǎn)換，與電容器一樣，它們可以看到疊加有交流紋波的高連續(xù)電流。在使用同步整流的現(xiàn)代 AC-DC 轉(zhuǎn)換器設計中，紋波電流與 DC 值處于同一數(shù)量級是很常見的，例如，在數(shù)據(jù)中心可能是數(shù)百安培。AC 分量會產(chǎn)生磁滯和渦流磁芯損耗，這在很大程度上取決于頻率和磁芯材料，而 DC 分量會導致繞組線電阻的耗散。選擇具有高飽和磁通密度和低固有交流損耗的磁芯材料可以減少繞組匝數(shù)，從而最大限度地減少總直流電阻和直流損耗。金屬復合材料核心，如 METCOM 系列[5]KEMET 是一種流行的選擇，具有低 AC 和 DC 損耗以及在溫度和電流范圍內(nèi)的穩(wěn)定電感。

圖 3：具有模制金屬復合磁芯的低損耗電感器（KEMET METCOM 系列）

結(jié)論

隨著電源轉(zhuǎn)換器效率預期的提高，無源元件的損耗變得越來越成問題。然而，可以使用新技術(shù)組件，這有助于設計人員更接近理論極限。

審核編輯 黃昊宇