Effizienzsteigerung durch Keramikkondensatoren der Klasse I in Anwendungen mit hoher Leistungsdichte

Autor: Mark Laps, KEMET

Entwickler auf der ganzen Welt sind stĂ€ndig auf der Suche nach Möglichkeiten, GerĂ€te effizienter zu machen. Zu den AnsĂ€tzen gehören fortschrittliche Schaltungstopologien wie Resonanzwandler, intelligentes Energiemanagement und die EinfĂŒhrung neuer Materialien. Im Bereich der Leistungshalbleiter gewinnen Bausteine mit breiter BandlĂŒcke (WBG; Wide Bandgap) zunehmend an Bedeutung, sodass Leistungswandler bei höheren Frequenzen, höheren Temperaturen und höheren Spannungen arbeiten können. Mit zunehmender Schaltgeschwindigkeit lĂ€sst sich die GrĂ¶ĂŸe wichtiger Komponenten wie Kondensatoren und magnetischer Bauteile verringern, was zu einer höheren Leistungsdichte und effizienteren Leistungswandlung fĂŒhrt.

 

Ein Großteil der Anstrengungen, um den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte zu erhöhen, wurde auf die Halbleiterbauelemente gerichtet, da sie erheblich zu den statischen und dynamischen Verlusten in jedem Stromversorgungssystem beitragen. Die kleinen schrittweisen Verbesserungen werden jedoch immer schwieriger und teurer, sodass Entwickler anderswo nach Effizienzsteigerungen suchen.

 

Viele Entwickler betrachten Kondensatoren als einfache unterstĂŒtzende Bauelemente in der Leistungselektronik – aber immer mehr verstehen deren Potenzial, den Wirkungsgrad und damit die Leistungsdichte zu verbessern. Es gibt drei Bereiche bei der Entwicklung von Leistungselektronik, in denen sich Kondensatoren positiv auf den Wirkungsgrad des Systems auswirken können, wobei jeder Bereich geringfĂŒgig andere Anforderungen an den Kondensator stellt.

 

Erstens können DĂ€mpfungsglieder (Snubber) hohe dV/dt-Werte, hohe Rippelströme, hohe Spannungen und hohe Temperaturen sowie eine niedrige InduktivitĂ€t erfordern. Zweitens erfordert der DC-Zwischenkreis (DC-Link) einen hohen Rippelstrom sowie hohe Spannungen, Temperaturen und Frequenzen. Drittens benötigen Resonanzwandler hohe Rippelströme, einen weiten Betriebsspannungsbereich und eine stabile KapazitĂ€t ĂŒber der Temperatur, Gleich- und Wechselspannung. In Anbetracht dieser Anforderungen ist ein Kondensator mit sehr geringen Verlusten und hoher Rippelstrombelastbarkeit gefragt, der hohen Spannungen standhĂ€lt und höhere Betriebstemperaturen bei stabiler KapazitĂ€t und hoher mechanischer Belastbarkeit akzeptiert. Um die hohe Dichte und Effizienz der Stromversorgungen mit WBG-Halbleitern zu erreichen, kommt es darauf an, dass die Kondensatoren in diesen GehĂ€usen eine hohe Temperatur- und mechanische StabilitĂ€t aufweisen.

 

Mehrlagige Keramikkondensatoren (MLCCs) der Klasse I und II im Vergleich

Unter den vielen erhĂ€ltlichen Kondensatortypen bieten Keramikkondensatoren (insbesondere Mehrschicht-MLCCs) wichtige Eigenschaften, die sich ideal fĂŒr Snubber-, DC-Link- und Resonanzanwendungen eignen. MLCCs werden durch abwechselnde Schichten aus Metallelektroden und dielektrischem Keramikmaterial gebildet. Jede Schicht stellt einen einzelnen Kondensator dar, und das HinzufĂŒgen von Schichten liefert zusĂ€tzliche KapazitĂ€t, da sie parallel zueinander sind. Die ĂŒberwiegende Mehrheit der heute hergestellten MLCCs sind BME- (Base Metal Electrode) oder NME-Versionen (Nickel Metal Electrode) mit einem CaZrO3-Dielektrikum fĂŒr Klasse I oder BaTiO3-Dielektrikum fĂŒr Klasse II

Bild 1: Explosionszeichnung eines BME-/Base Metal Electrode MLCC [zum VergrĂ¶ĂŸern in das Bild klicken]

 

StabilitÀt

Dielektrika werden nach ihrer KapazitĂ€tsstabilitĂ€t ĂŒber der Temperatur eingeteilt. Klasse I enthĂ€lt die temperaturstabilsten Dielektrika (C0G, NPO, U2J), obwohl diese die niedrigste DielektrizitĂ€tskonstante (K) aufweisen und ein grĂ¶ĂŸeres Volumen erfordern, um die gleiche KapazitĂ€t wie herkömmliche MLCC-Typen zu erreichen. Klasse II umfasst dielektrische Materialien (X7R, X5R), die eine TemperaturstabilitĂ€t und K-Werte im mittleren Bereich aufweisen. Klasse-II-MLCCs bieten daher eine viel höhere KapazitĂ€t pro Volumen als Klasse I. Obwohl Klasse-II-MLCCs eine viel höhere Bulk-KapazitĂ€t aufweisen, sind einige DesignĂŒberlegungen zu beachten, die deren Einsatz im Leistungselektronikbereich erheblich beeinflussen können.

 

Da MLCCs der Klasse II ein BaTiO3-Dielektrikum verwenden, wird die tatsĂ€chliche KapazitĂ€t von der Betriebstemperatur, der angelegten Gleichstromvorspannung (DC-Bias) und der Zeit nach der letzten ErwĂ€rmung (Alterung) beeinflusst. Die StabilitĂ€t der KapazitĂ€t gegenĂŒber der Temperatur wird als Temperaturkoeffizient der KapazitĂ€t (TCC; Temperature Coefficient of Capacitance) bezeichnet und kann durch die dielektrische Klassifizierung der EIA (Electronics Industries Alliance) bestimmt werden, z.B. „X7R“. Die EIA-Definition fĂŒr X7R deckt einen Betriebstemperaturbereich von -55 bis 125 °C mit maximalen KapazitĂ€tsgrenzen von ±15% ab. X5R bietet die gleichen KapazitĂ€tsgrenzen von ±15%, jedoch einen Betriebstemperaturbereich von -55 bis 85 Â°C. Die StabilitĂ€t der KapazitĂ€t gegenĂŒber der Spannung (VCC) ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt – es gibt dazu jedoch keine formale Definition der EIA. Bei Klasse-II-MLCCs mit höherer KapazitĂ€t kann die KapazitĂ€t jedoch bei Nennspannung um bis zu 80% abnehmen, was erhebliche Auswirkungen auf die Anwendung haben kann. Dieses VCC-Merkmal kann auch von Anbieter zu Anbieter stark variieren. Neben der Temperatur und Spannung kann sich die KapazitĂ€t auch ĂŒber der Zeit nach dem letzten AufwĂ€rmen verringern. Dies wird als Alterung bezeichnet und liegt normalerweise im Bereich von 2 bis 5% pro Decade-Hour nach der letzten ErwĂ€rmung ĂŒber 130 °C (normalerweise beim Löten der Bauteile wĂ€hrend der Fertigung).

 

Dielektrika der Klasse I sind jedoch im Vergleich zur Klasse II wesentlich stabiler. C0G weist eine vernachlĂ€ssigbare KapazitĂ€tsverschiebung von 30 ppm/°C oder 0,3% bei 125 °C auf, wĂ€hrend U2J 750 ppm/°C oder 7,5% bei 125 °C aufweist, aber linear und vorhersehbar ist. Sowohl C0G als auch U2J haben eine vernachlĂ€ssigbare KapazitĂ€tsĂ€nderung gegenĂŒber DC-Bias und nahezu keine Änderung ĂŒber der Zeit (Alterung). Diese Eigenschaften machen Dielektrika der Klasse I ideal fĂŒr resonante Anwendungen wie LLC-Resonanzwandler und drahtloses Laden (Wireless Power), bei denen es darauf ankommt, die KapazitĂ€t innerhalb enger Toleranzen zu halten.

 

Äquivalenter Serienwiderstand

Neben der KapazitĂ€tsstabilitĂ€t ist der Ă€quivalente Serienwiderstand (ESR; Equivalent Series Resistance) aufgrund von I2R-Verlusten ein wichtiges Merkmal fĂŒr Kondensatoren im Leistungselektronikbereich. Bild 2 zeigt ein Beispiel fĂŒr den ESR eines Klasse-II-X7R- im Vergleich zu einem Klasse-I-C0G/U2J-MLCC zwischen 100 Hz und 100 MHz. Da BaTiO3 ein ferroelektrisches Material ist, verursacht seine FĂ€higkeit, DomĂ€nenbereiche innerhalb des Dielektrikums zu erzeugen, auch eine ErwĂ€rmung der DomĂ€nengrenze und einen höheren ESR im Vergleich zu Dielektrika der Klasse I. Darum ergibt sich bei Klasse-II-MLCCs ein um ein bis zwei GrĂ¶ĂŸenordnungen höherer ESR als bei Klasse-I-MLCCs.

Bild 2: ESR-Vergleich zwischen Klasse II X7R und Klasse I C0G/U2J [zum VergrĂ¶ĂŸern in das Bild klicken]

Die Folge eines hohen ESR in MLCCs ist eine ĂŒbermĂ€ĂŸige ErwĂ€rmung aufgrund eines hohen Wechselstroms in Leistungselektronik-Anwendungen. Bild 3 zeigt die Temperatur im VerhĂ€ltnis zum Wechselstrom fĂŒr X7R-, C0G- und U2J-MLCCs. Die Daten zeigen, dass sowohl C0G als auch U2J einen Selbsttemperaturanstieg von ca. 15 °C bei 10 Aeff verzeichnen, wĂ€hrend X7R bei nur 5 Aeff um 40 °C ansteigt.

Bild 3: Rippelstromvergleich zwischen Klasse II X7R und Klasse I C0G/U2J [zum VergrĂ¶ĂŸern in das Bild klicken]
Bild 4: Vergleich der wichtigsten Merkmale zwischen Klasse II X7R und Klasse I C0G/U2J

 

Betriebsverhalten von MLCCs der Klasse I

Da MLCCs mit BME-Dielektrikum der Klasse I eine hohe TemperaturstabilitĂ€t, geringe Verluste und hohe Rippelstrombelastbarkeit aufweisen, sind sie die ideale Wahl fĂŒr Anwendungen mit hoher Leistungsdichte. KEMET hat Produkte mit patentiertem BME-CaZrO3-Dielektrikum der Klasse I entwickelt, um die Belastbarkeit fĂŒr Snubber-, DC-Link- und Resonanzanwendungen weiter zu erhöhen.

 

Zu diesen Produkten zĂ€hlt eine C0G-High-Voltage-Reihe fĂŒr kommerzielle und Automotive-Anwendungen, die einen weiten Spannungsbereich von 500 bis 10.000 VDC mit EIA-GehĂ€usegrĂ¶ĂŸen von 0603 bis 4540 abdeckt. Das BME-C0G-CaZrO3-Dielektrikum ermöglicht extrem niedrige ESR-Werte, niedrige ESL-Werte, hohe Rippelstrombelastbarkeit und hohe dV/dt-Werte.

 

KEMET bietet auch die SMD-Keramikkondensatoren KC-LINK 3640 (220 nF; 500 V) an, die aus einem CaZrO3-Dielektrikum bestehen und eine sehr verlustarme Lösung mit ESR-Werten unter 4 m von 40 kHz bis 1 MHz und nur 2 m bei etwa 50 kHz bieten. Dies ermöglicht Rippelströme von ca. 20 Aeff von 50 kHz bis 300 kHz bei einer Vorspannung von 0 VDC und einer Umgebungstemperatur von 105 °C (Bild 5).

Bild 5: Impedanz, ESR und Rippelstrom der Serie KC-LINK [zum VergrĂ¶ĂŸern in das Bild klicken]

 

KONNEKT-Technologie

Selbst bei Hochleistungs-Dielektrika der Klasse I verlangen manche Anwendungen hĂ€ufig höhere KapazitĂ€ten, was eine grĂ¶ĂŸere LeiterplattenflĂ€che erfordert. Eine grĂ¶ĂŸere Leiterplatte verringert jedoch die Leistungsdichte der Lösung. KEMET hat daher die KONNEKT-Technologie entwickelt – eine Multichip-Lösung ohne AnschlussdrĂ€hte, die sich fĂŒr Anwendungen mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte eignen. KONNEKT basiert auf dem TLPS-Verfahren (Transient Liquid Phase Sintering), um MLCCs der Klasse I zu kombinieren, die sich im Standard-Reflow-Verfahren montieren lassen. Ein Beispiel dafĂŒr, wie diese Technologie eine hohe Belastbarkeit bietet, findet sich im Kasten weiter unten.

 

Fazit

Energieeffizienz spielt in unserer modernen Welt eine wichtige Rolle, da sie die Betriebskosten fĂŒr einen hohen Stromverbrauch verringert, u.a. in Fahrzeugen und Rechenzenten. WĂ€hrend sich die meisten bisherigen Entwicklungen auf Schaltungstopologien und die LeistungsfĂ€higkeit von Halbleiterbausteinen konzentrierten, können passive Bauelemente wie Kondensatoren einen erheblichen Einfluss auf die Energieeffizienz haben.

 

Dielektrika der Klasse I, einschließlich C0G und U2J, weisen eine hervorragende StabilitĂ€t bei Leistungselektronik-Anwendungen auf. Da die MLCC-LeistungsfĂ€higkeit vorhersehbar ist, können Entwickler damit enge Toleranzen erzielen. Neuartige Techniken wie die KONNEKT-Technologie können große KapazitĂ€ten auf kleinem Raum bereitstellen, was die Leistungsdichte erheblich verbessert.

 


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