Effizienzsteigerung durch Keramikkondensatoren der Klasse I in Anwendungen mit hoher Leistungsdichte

Autor: Mark Laps, KEMET

Entwickler auf der ganzen Welt sind ständig auf der Suche nach Möglichkeiten, Geräte effizienter zu machen. Zu den Ansätzen gehören fortschrittliche Schaltungstopologien wie Resonanzwandler, intelligentes Energiemanagement und die Einführung neuer Materialien. Im Bereich der Leistungshalbleiter gewinnen Bausteine mit breiter Bandlücke (WBG; Wide Bandgap) zunehmend an Bedeutung, sodass Leistungswandler bei höheren Frequenzen, höheren Temperaturen und höheren Spannungen arbeiten können. Mit zunehmender Schaltgeschwindigkeit lässt sich die Größe wichtiger Komponenten wie Kondensatoren und magnetischer Bauteile verringern, was zu einer höheren Leistungsdichte und effizienteren Leistungswandlung führt.

 

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 unterstützende 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 geringfügig andere Anforderungen an den Kondensator stellt.

 

Erstens können Dämpfungsglieder (Snubber) hohe dV/dt-Werte, hohe Rippelströme, hohe Spannungen und hohe Temperaturen sowie eine niedrige Induktivität 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 Kapazität über der Temperatur, Gleich- und Wechselspannung. In Anbetracht dieser Anforderungen ist ein Kondensator mit sehr geringen Verlusten und hoher Rippelstrombelastbarkeit gefragt, der hohen Spannungen standhält und höhere Betriebstemperaturen bei stabiler Kapazität 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 Gehäusen eine hohe Temperatur- und mechanische Stabilität aufweisen.

 

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

Unter den vielen erhältlichen Kondensatortypen bieten Keramikkondensatoren (insbesondere Mehrschicht-MLCCs) wichtige Eigenschaften, die sich ideal für 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 Hinzufügen von Schichten liefert zusätzliche Kapazität, da sie parallel zueinander sind. Die überwiegende Mehrheit der heute hergestellten MLCCs sind BME- (Base Metal Electrode) oder NME-Versionen (Nickel Metal Electrode) mit einem CaZrO3-Dielektrikum für Klasse I oder BaTiO3-Dielektrikum für Klasse II

 

Stabilität

Dielektrika werden nach ihrer Kapazitätsstabilität über der Temperatur eingeteilt. Klasse I enthält die temperaturstabilsten Dielektrika (C0G, NPO, U2J), obwohl diese die niedrigste Dielektrizitätskonstante (K) aufweisen und ein größeres Volumen erfordern, um die gleiche Kapazität wie herkömmliche MLCC-Typen zu erreichen. Klasse II umfasst dielektrische Materialien (X7R, X5R), die eine Temperaturstabilität und K-Werte im mittleren Bereich aufweisen. Klasse-II-MLCCs bieten daher eine viel höhere Kapazität pro Volumen als Klasse I. Obwohl Klasse-II-MLCCs eine viel höhere Bulk-Kapazität aufweisen, sind einige Designüberlegungen zu beachten, die deren Einsatz im Leistungselektronikbereich erheblich beeinflussen können.

 

Da MLCCs der Klasse II ein BaTiO3-Dielektrikum verwenden, wird die tatsächliche Kapazität von der Betriebstemperatur, der angelegten Gleichstromvorspannung (DC-Bias) und der Zeit nach der letzten Erwärmung (Alterung) beeinflusst. Die Stabilität der Kapazität gegenüber der Temperatur wird als Temperaturkoeffizient der Kapazität (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 für X7R deckt einen Betriebstemperaturbereich von -55 bis 125 °C mit maximalen Kapazitätsgrenzen von ±15% ab. X5R bietet die gleichen Kapazitätsgrenzen von ±15%, jedoch einen Betriebstemperaturbereich von -55 bis 85 °C. Die Stabilität der Kapazität gegenüber der Spannung (VCC) ist ebenfalls ein wichtiger Aspekt – es gibt dazu jedoch keine formale Definition der EIA. Bei Klasse-II-MLCCs mit höherer Kapazität kann die Kapazität 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 Kapazität auch über der Zeit nach dem letzten Aufwärmen verringern. Dies wird als Alterung bezeichnet und liegt normalerweise im Bereich von 2 bis 5% pro Decade-Hour nach der letzten Erwärmung über 130 °C (normalerweise beim Löten der Bauteile während der Fertigung).

 

Dielektrika der Klasse I sind jedoch im Vergleich zur Klasse II wesentlich stabiler. C0G weist eine vernachlässigbare Kapazitätsverschiebung von 30 ppm/°C oder 0,3% bei 125 °C auf, während U2J 750 ppm/°C oder 7,5% bei 125 °C aufweist, aber linear und vorhersehbar ist. Sowohl C0G als auch U2J haben eine vernachlässigbare Kapazitätsänderung gegenüber DC-Bias und nahezu keine Änderung über der Zeit (Alterung). Diese Eigenschaften machen Dielektrika der Klasse I ideal für resonante Anwendungen wie LLC-Resonanzwandler und drahtloses Laden (Wireless Power), bei denen es darauf ankommt, die Kapazität innerhalb enger Toleranzen zu halten.

 

Äquivalenter Serienwiderstand

Neben der Kapazitätsstabilität ist der äquivalente Serienwiderstand (ESR; Equivalent Series Resistance) aufgrund von I2R-Verlusten ein wichtiges Merkmal für Kondensatoren im Leistungselektronikbereich. Bild 2 zeigt ein Beispiel für 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 Fähigkeit, Domänenbereiche innerhalb des Dielektrikums zu erzeugen, auch eine Erwärmung der Domänengrenze und einen höheren ESR im Vergleich zu Dielektrika der Klasse I. Darum ergibt sich bei Klasse-II-MLCCs ein um ein bis zwei Größenordnungen höherer ESR als bei Klasse-I-MLCCs.

Die Folge eines hohen ESR in MLCCs ist eine übermäßige Erwärmung aufgrund eines hohen Wechselstroms in Leistungselektronik-Anwendungen. Bild 3 zeigt die Temperatur im Verhältnis zum Wechselstrom für X7R-, C0G- und U2J-MLCCs. Die Daten zeigen, dass sowohl C0G als auch U2J einen Selbsttemperaturanstieg von ca. 15 °C bei 10 Aeff verzeichnen, während X7R bei nur 5 Aeff um 40 °C ansteigt.

 

Betriebsverhalten von MLCCs der Klasse I

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

 

Zu diesen Produkten zählt eine C0G-High-Voltage-Reihe für kommerzielle und Automotive-Anwendungen, die einen weiten Spannungsbereich von 500 bis 10.000 VDC mit EIA-Gehäusegrößen 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).

 

KONNEKT-Technologie

Selbst bei Hochleistungs-Dielektrika der Klasse I verlangen manche Anwendungen häufig höhere Kapazitäten, was eine größere Leiterplattenfläche erfordert. Eine größere Leiterplatte verringert jedoch die Leistungsdichte der Lösung. KEMET hat daher die KONNEKT-Technologie entwickelt – eine Multichip-Lösung ohne Anschlussdrähte, die sich für 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 dafür, 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 für einen hohen Stromverbrauch verringert, u.a. in Fahrzeugen und Rechenzenten. Während sich die meisten bisherigen Entwicklungen auf Schaltungstopologien und die Leistungsfähigkeit 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 Stabilität bei Leistungselektronik-Anwendungen auf. Da die MLCC-Leistungsfähigkeit vorhersehbar ist, können Entwickler damit enge Toleranzen erzielen. Neuartige Techniken wie die KONNEKT-Technologie können große Kapazitäten auf kleinem Raum bereitstellen, was die Leistungsdichte erheblich verbessert.