Wielowarstwowe kondensatory ceramiczne zapewniają możliwość miniaturyzacji elektroniki mocy

W artykule opisano konstrukcję kondensatorów MLCC i to, w jaki sposób można je aplikować w impulsowych konwerterach dużej mocy prądu stałego i przemiennego, w tym wersje rezonansowe. Omówiono rodzaje i klasy dielektryków oraz pokazano, jak dobierać te elementy w zależności od wymagań aplikacyjnych w zasilaczach, przetwornicach i elementach tłumiących stany nieustalone.

Budowa MLCC

Kondensatory MLCC mają konstrukcję monolityczną i są zbudowane z naprzemiennie ułożonych warstw dielektryka ceramicznego i metalowych elektrod (rys. 1). Warstwy te są laminowane w wysokich temperaturach i spiekane po to, aby całość była stabilna mechanicznie i osiągnęła dużą pojemność przy małych wymiarach. Następnie na odsłoniętych końcach elementu jest tworzone przewodzące zakończenie, którego zadaniem jest połączenie wszystkich metalowych elektrod z każdej strony.

 

Rys. 1. Dielektryki ceramiczne dzielą się na kategorie według stabilności temperatury i stałej dielektrycznej

Ceramika w roli dielektryka zapewnia dużą stałą wolumetryczną, czyli zapewnia dużą pojemność w małej obudowie i pozwala na pracę z sygnałami o wysokiej częstotliwości. Używając odpowiedniej kombinacji materiału, zakończeń oraz ich kształtu, można tworzyć dobrze dopasowane do wymagań aplikacji rozwiązania kondensatorów, np. pod kątem wartości maksymalnych prądów, strat przy w.cz., napięć pracy. Oferta rynku jest bardzo szeroka, niemniej mimo to kilka kwestii wymaga od projektantów staranności przy wyborze kondensatorów ceramicznych do zastosowań w obwodach o dużej gęstości mocy.

Na przykład to, że na pojemność ma wpływ temperatura pracy, napięcie stałe panujące na takim elemencie a nawet czas, jaki minął od ostatniego przeciążenia cieplnego. Ten ostatni parametr może powodować niekontrolowaną zmianę pojemności i wywołać efekt starzenia się kondensatora (rys. 2).

 

 

Rys. 2. Proces starzenia się kondensatora jako procent zmiany pojemności w czasie

Co ważniejsze, na działanie kondensatorów mają też wpływ impulsowe zmiany prądu generowane przez półprzewodniki mocy, takie jak IGBT lub MOSFET, bo każdy kondensator ma pewną własną impedancję. Odporność na prąd o wysokich tętnieniach jest bardzo istotna w układach impulsowej konwersji mocy.

Kolejny problem to efektywna rezystancja szeregowa kondensatora (ESR), która reprezentuje całkowitą rezystancję wewnętrzną tego elementu i jest funkcją częstotliwości i temperatury. Minimalizując ESR, projektant zmniejsza straty mocy spowodowane wytwarzaniem ciepła i nagrzewaniem kondensatorów. Kolejny parametr – efektywna indukcyjność szeregowa (ESL) – determinuje zakres częstotliwości roboczych i miniaturyzacja prowadzi do jej obniżenia. Łącznie małe wartości ESR i ESL zwiększają zdolność aplikacji kondensatora w elektronice dużej mocy i minimalizują efekty pasożytnicze. Ponadto przyczyniają się do niższych strat, co z kolei pozwala kondensatorom pracować przy wysokich tętnieniach prądu.

Innym istotnym aspektem projektowym jest wybór materiału dielektrycznego. Determinuje on zmianę pojemności w funkcji temperatury (rys. 3). Materiały dielektryczne klasy I, takie jak C0G i U2J, są bardziej stabilne temperaturowo, mają niższą stałą dielektryczną (K). Materiały klasy II, takie jak X7R X5R, charakteryzują się średnią stabilnością, a także wartością K, zapewniając jednocześnie znacznie wyższe wartości pojemności.

 

Rys. 3. Materiały dielektryczne klasy I i II różnią się głównie pod względem zmian temperaturowych pojemności

Jednak w przypadku układów impulsowych pracujących z dużą szybkością im wyższa częstotliwość, tym mniejsze są pojemności wymagane do przekazania mocy. Dzięki temu kondensatory ceramiczne o niższej wartości stałej K mogą zastąpić duże kondensatory foliowe o dużej pojemności, co znacznie zwiększa gęstość mocy urządzenia. Elementy te mają mniejsze rozmiary, dzięki czemu można je montować bliżej przełączników mocy, bo wymagają one jedynie minimalnego chłodzenia konwekcyjnego.

MLCC z dielektrykiem klasy I

Kondensatory z serii KC-Link firmy Kemet, takie jak CKC33C224KCGACAUTO (0,22 μF 500 V), CKC33C224JCGACAUTO (0,22 μF, 500 V) i CKC18C- 153JDGACAUTO (15 nF, 1000 V), to dobre przykłady typowych elementów klasy I. Używają dielektryka z cyrkonianu wapnia, który zapewnia wyjątkowo stabilną pracę bez utraty pojemności w funkcji częstotliwości, napięcia lub temperatury otoczenia. Jest to niskostratny materiał dielektryczny o minimalnym efekcie starzenia, ponieważ nie ma tu istotnej zmiany pojemności w czasie.

Kondensatory KC-Link z dielektrykiem C0G mają bardzo niski ESR i zdolność do pracy z prądem o dużych tętnieniach. Wysoka wytrzymałość mechaniczna ceramiki pozwala na montaż tych elementów bez użycia dodatkowych metalowych ramek lub końcówek wyprowadzeń, co również przyczynia się do wyjątkowo niskiej wartości ESL.

Nie ma też efektu zmiany pojemności przy polaryzacji napięciem stałym, a zmiany pojemności w zakresie temperatur od –55 do 150°C są pomijalnie małe. Elementy te są dostępne o wartościach od 4,7 do 220 nF i dla napięcia znamionowego 500–1700 V (rys. 4).

 

Rys. 4. Dzięki możliwości pracy w temperaturze 150°C kondensatory ceramiczne z serii KC-Link można umieścić blisko półprzewodników mocy bez ryzyka utraty parametrów

Ponieważ pojemności podzespołów z dielektrykiem w klasie 1 są stosunkowo małe (w porównaniu do klasy 2), gdy jest to problemem, można połączyć kilka równolegle. Łączenie może wykorzystywać dodatkowe pady na PCB lub zostać wykonane przez producenta jako tzw. konsolidacja lub połączenie w stos.

W takiej wersji Kemet proponuje serię Konnekt. Są to elementy o podobnych właściwościach jak KC-Link, ale z pojemnością większą nawet o 125%, od 100 pF do 0,47 μF. Przy polaryzacji napięciem znamionowym zachowują 99% pierwotnej pojemności i są odporne na cykliczne zmiany temperatury i zginanie płytki PCB.

Kondensatory Konnekt, w tym C1812-C145J5JLC7805, C1812C944J5JLC7800 i C1812C944J5JLC7805, są tworzone przez ułożenie w stos pionowo lub poziomo od dwóch do czterech kondensatorów MLCC. Stos dwóch elementów ma 0,94 μF, a trzyelementowy do 1,4 μF. Do połączenia końcówek wykorzystuje się tutaj materiał TLPS (Transient Liquid Phase Sintering). Jest to specjalne spoiwo kompozytowe miedziano-cynowe, które jest stosowane jako zamiennik stopu lutowniczego i ma ciekłą fazą przejściową podczas podgrzewania, dzięki czemu taki kondensator w formie stosu jest kompatybilny z istniejącymi procesami montażu rozpływowego.

Dzięki temu, że kondensatory mogą być układane pionowo i poziomo, można zminimalizować zajmowaną powierzchnię na PCB (rys. 5) i mieć elementy o pojemności takiej samej jak dla wersji z materiałami dielektrycznymi klasy II, takimi jak X5R i X7R.

 

Rys. 5. Kondensatory MLCC można łączyć w stosy w celu zwiększenia pojemności i aby obniżyć ESR i ESL, a więc straty mocy

Połączenie równoległe kilku elementarnych kondensatorów w stos zmniejsza straty mocy, bo maleje wartość ESR. Sprawność układu konwersji energii się zwiększa, a dzięki mniejszemu wydzielaniu ciepła rośnie też niezawodność. ESL też maleje i dzięki temu rośnie zdolność kondensatora do tolerowania prądu o dużych tętnieniach. Zastosowanie materiału TLPS na końcówkach w połączeniu z ultrastabilnym dielektrykiem pozwala takim kondensatorom ceramicznym radzić sobie z ekstremalnie wysokimi prądami tętnienia w zakresie setek kiloherców. Na przykład, w przypadku C1812C145J5JLC7805 U2J o pojemności 1,4 μF z rodziny Konnekt, ESL wynosi 1,6 nH standardowo i zmniejsza się do 0,4 nH w opcji niskostratnej (dla stosu). Podobnie, ESR zmniejsza się z 1,3 mΩ do 0,35 mΩ. Zmiana pojemności dla tych elementów wynosi jedynie –750 (±120) ppm/°C w zakresie temperatury od –55 do +125°C. Co więcej, zmianę pojemności można łatwo oszacować, bo zmienia się liniowo wraz z temperaturą.

Kondensatory ceramiczne do napięcia sieciowego AC

Wymienione wcześniej kondensatory ceramiczne są przeznaczone do użycia w obwodach prądu stałego, do filtracji, odsprzęgania i chwilowego gromadzenia energii. Takie elementy stosuje się ponadto obwodach AC, a więc filtrach sieciowych, układach korekcji współczynnika mocy (PFC) i przetwornikach ADC.

Elementy te są dostępne w wersji bezpiecznej (zgodnej z normami bezpieczeństwa) i ogólnego przeznaczenia. Pierwsza grupa przeznaczona jest do pracy w filtrach sieciowych do tłumienia zakłócenia i chronienia układu elektronicznego przed przepięciami i stanami nieustalonymi. Elementy te są przystosowane do pracy z napięciem sieci, stąd cały typoszereg napięciowy nie jest produkowany w tym wykonaniu.

 

Rys. 6. Kondensatory sieciowe AC serii CAN zapewniają niski prąd upływu i mały ESR przy wyższych częstotliwościach

Pozostałe kondensatory ceramiczne do pracy z napięciem przemiennym dostępne są w różnych rozmiarach i wartościach pojemności i napięć. One też mogą być używane do ciągłego użytkowania w warunkach sieci AC w obwodach, gdzie nie jest wymagana formalna certyfikacja bezpieczeństwa. Przykładem może być seria kondensatorów ceramicznych CAN firmy Kemet przystosowana do warunków sieci AC o napięciu 250 V przy częstotliwościach 50/60 Hz i w innych zastosowaniach niezwiązanych z bezpieczeństwem użytkowania urządzeń.

Charakteryzują się one małym prądem upływu i niską wartością ESR przy wysokich częstotliwościach (rys. 6). Przeznaczone są do pracy w połączeniu między liniami L i N (klasa X), jak i między fazą a uziemieniem (klasa Y) i spełniają kryteria dotyczące impulsów określone w normie IEC 60384.

Kondensatory z serii CAN są dostępne w wersjach z dielektrykami X7R i C0G. C0G, podobnie jak w przypadku elementów omawianych wcześniej do obwodów stałoprądowych, nie wykazują zmiany pojemności w odniesieniu do czasu i napięcia panującego na okładkach. Jedynie w funkcji temperatury pojemność nieznacznie się zmienia. W kondensatorach ceramicznych, takich jak CAN12X153-KARAC7800 (15 nF, 10%) i CAN12X223-KARAC7800, X7R (22 nF) zmiany pojemności w czasie, funkcji napięcia i temperatury otoczenia można wyznaczyć korzystając z danych katalogowych.

Wnioski

Funkcja, jaką pełnią kondensatory MLCC we współczesnej technice, cały czas się zwiększa. Elementy te zapewniają możliwość miniaturyzacji i wzrostu gęstości mocy urządzeń, takich jak zasilacze, ładowarki i falowniki. Duży wybór dostępnych typów różniących się wymiarami i rodzajem użytych dielektryków zapewnia projektantom możliwość dostosowania pojemności i innych krytycznych parametrów, takich jak ESR i ESL, zgodnie z określonymi potrzebami aplikacji.

Rolf Horn

Digi-Key Electronics

https://www.digikey.pl/