運用陶瓷電容的優勢，提升功率密度和轉換效率

從物聯網 (IoT) 資料伺服器到 電動車 (EV)，電力系統的設計人員不斷面對取得更高功率密度和轉換效率的壓力。儘管大多注重在採用半導體切換元件達到效能提升，積層陶瓷電容 (MLCC) 的固有特性也有助於設計人員達成其需求。這些特性包含低損耗、高電壓和漣波電流處理能力、高電壓耐受能力、極端工作溫度下的穩定性。

本文描述 MLCC 的架構以及陶瓷電容如何在 DC 和 AC 軌提升功率處理能力，同時輔助快速切換半導體。並且探討 Class I 和 Class II 介電質，瞭解如何能讓小型 MLCC 為緩衝器和諧振轉換器等電源系統供電。

MLCC 如何建造

MLCC 是單晶片元件，由陶瓷介電質和金屬電極 (圖 1) 交互堆疊打造。MLCC 的多層是在高溫下打造，以產生燒結且具有高容積效率的電容元件。接著，會在元件裸端整合一個導體端子屏障系統，完成連接。

圖 1：依據溫度穩定性和介電常數的陶瓷介電質分類。(圖片來源：KEMET）

陶瓷是非極性元件，提供極佳的容積效率，可在小型封裝尺寸中供應更高的電容量。此外，這些元件在高頻操作中更可靠。這能讓 MLCC 提供正確的介電質、端子系統、外型尺寸和遮蔽組合。

不過設計人員在選擇用於高功率密度應用陶瓷電容時，還是會有些問題，需要盡職選擇。首先，電容會被工作溫度、施加 DC 偏壓，以及最後升溫後的時間所影響。舉例而言，最後升溫後的時間可能會造成電容量的偏移，引起電容老化 (圖 2)。

圖 2：電容量老化隨時間變化的百分比。(圖片來源：KEMET）

更重要的是，快速切換 IGBT 或 MOSFET 半導體元件產生的漣波會影響效能，這是由於每個電容都有一些阻抗和自感。電容限制逆變器等元件的波動偶而會需要大電流，因此需要更大的漣波電流耐受性。

不僅如此，還有電容的有效串聯電阻 (ESR)，此重要特性代表在特定頻率和溫度下的內部總電阻。設計人員若能將 ESR 降至最低，則可減少熱生成造成的功率損耗。

除此之外，低有效串聯電感 (ESL) 會增加工作頻率範圍，並且允許進一步縮小陶瓷電容。低 ESR 和低 ESL 兩者結合，即可提升電容的功率處理能力並降低元件的寄生電容。此外，也能達到更低的損耗，進而能讓電容在高漣波電流位準下操作。

另一項關鍵設計考量是介電質材料的選擇，這能決定電容量在溫度下的變化 (圖 3)。C0G 和 U2J 等 Class I 介電材料提供溫度穩定性更佳的介電質，具有更低的介電常數 (K)。X7R 和 X5R 等 Class II 材料則具有中等範圍穩定性和 K 值，同時提供更高的電容值。

圖 3：Class I 和 Class II 介電材料的主要差異在於特定溫度下電容量的改變量。(圖片來源：KEMET）

不過，針對快速切換系統，工作頻率越高，傳輸電力所需的電容量更低。這能讓更低 K 值的陶瓷電容取代高電容量薄膜電容，大幅提升功率密度。這些陶瓷電容覆蓋區更小，因此可以與快速切換半導體近距離安裝，同時在高功率密度應用中僅需最少散熱。

Class I 介電質 MLCC

KEMET 的 KC-LINK 電容，例如 CKC33C224KCGACAUTO (0.22 µF、500 V)、CKC33C224JCGACAUTO (0.22 µF、500 V)、CKC18C153JDGACAUTO (15 nF、1000 V) 都是 Class 1 的良好實例。運用 Class 1 鋯酸鈣介電質材料促進絕佳的穩定操作，不會因為切換頻率、施加電壓或環境溫度造成電容量損耗。低功率鋯酸鈣介電材料不會隨時間產生電容偏移，因此也會降低老化效應。

KC-LINK 電容運用 C0G 介電技術，達到超低 ESR，並且可以管理超高漣波電流，滿足高功率密度設計的需求。這些 Class I 陶瓷電容具備高度機械耐用性，無須使用引線框架即可進行安裝，所以也可達到極低 ESL。

這些電容能以超高漣波電流操作，且不影響電容量與 DC 電壓的關係，而電容量與溫度的關係 (-55°C 至 150°C 的工作溫度範圍內) 僅會受到幾乎可忽略的變化。電容值範圍介於 4.7 nF 至 220 nF，且額定電壓介於 500 V 至 1,700 V (圖 4)。

圖 4：150°C 的工作溫度下，高功率密度應用中 KC-LINK 陶瓷電容可貼近快速切換半導體，達到最低散熱。(圖片來源：KEMET）

值得一提的是，以 Class 1 介電材料為基礎的 KC-LINK 電容與同樣尺寸的 Class 2 相比，提供更低的晶片上電容量。因此如果需要更大量的電容量，可連接多個 KC-LINK 電容，成為單晶片結構，打造更高密度的封裝。

合併電容可成為低雜訊的解決方案，與 KC-LINK 相似，但具有 125% 更高的電容量。KEMET 的 KONNEKT 表面黏著電容也是基於 Class I 介電材料，提供 100 pF 至 0.47 µF 的更高電容值。在額定電壓下維持超過 99% 的標稱電容量，並且非常適合時間關鍵和會受溫度循環及板件彎曲影響的應用。

堆疊 MLCC，達到更高電容量

KONNEKT 陶瓷電容，包含 C1812C145J5JLC7805、C1812C944J5JLC7800、C1812C944J5JLC7805，藉由垂直或水平堆疊二至四個陶瓷電容打造，並可維持元件的完整性。C1812C944J5JLC7800 陶瓷電容藉由堆疊兩個元件提供 0.94 µF 的電容量，C1812C145J5JLC7805 陶瓷電容則由堆疊三個元件達到 1.4 µF 的電容量。

這些 MLCC 利用創新的暫態液相燒結 (TLPS) 材料，接合元件端子，打造無引線的多晶片解決方案。無引線多晶片解決方案能讓電容與既有迴流製程相容。TLPS 是金屬矩陣複合材料接合，由銅錫材料製成，用於取代焊接。能在兩個平面形成冶金接合，在此例中為 U2J 層之間。

電容以兩個方向整合，能將元件覆蓋區縮至最小，並且最大化堆疊 MLCC 的大型電容 (圖 5)，讓 KONNEKT 陶瓷電容達到先前僅能由 X5R 和 X7R 等 Class II 材料才能達到的電容量範圍。

圖 5：可藉由堆疊 MLCC 提升電容量，並以低損耗方向置放，降低 ESR 和 ESL。(圖片來源：KEMET）

在低損耗方向中，較少電子能量轉換為熱，進而提升能效並進一步增加電容的功率處理能力。低損耗方向同時也能降低 ESR 和 ESL，並進一步提升陶瓷電容的能力以處理漣波電流。

TLPS 材料結合超高穩定介電質，陶瓷電容便能夠處理數百 kHz 範圍內的極高漣波電流。舉例而言，C1812C145J5JLC7805 U2J 1.4 μF KONNEKT 電容以標準方向安裝，其 ESL 是 1.6 nH，但如果以低損耗方向安裝，則降低至 0.4 nH。同樣地，以低損耗方向安裝，ESR 也由 1.3 mΩ 降至 0.35 mΩ，降低了系統損耗並限制溫升。

KEMET 的 U2J KONNEKT 表面黏著電容在 -55°C 至 +125°C 之間，限制其電容變化至 -750 ±120 ppm/°C。這能讓 U2J 陶瓷電容忽略電容與 DC 電壓的偏移，並且可預測電容對環境溫度的線性變化。

AC 線路陶瓷電容

以上所述之陶瓷電容穩定並平滑 DC 軌上的電壓和電流，因此避免快速切換造成的解耦尖波。除此之外，陶瓷電容也用在 AC 線路濾波、AC/DC 轉換器、功率因數校正 (PFC) 電路。

特別注意，AC 線路陶瓷電容有安規和非安規等級類型。安規等級電容會抑制電氣雜訊並保護設計免於過電壓和暫態。這些安規認證 MLCC 並不提供更高電容／電壓 (CV) 等級。

非安規等級 AC 陶瓷電容提供多種尺寸和 CV 值，可在 AC 線路狀態下連續使用。KEMET 的 CAN 系列 陶瓷電容經認證可在 250 V_AC AC 線路狀態和 50/60 Hz 線路頻率和其他非安規應用中使用。

圖 6：CAN 系列 AC 線路電容在更高頻率下提供低漏電流和低 ESR。(圖片來源：KEMET）

AC 線路電容在高頻提供低漏電流和低 ESR (圖 6)。可用於線對線 (Class X) 和線對接地 (Class Y) 應用，符合 IEC 60384 標準規定的脈衝測試條件。

CAN 系列陶瓷電容提供 X7R 和 C0G 介電質。DC 鏈電容的 C0G 介電池，電容量不會隨著時間或電壓變化而有所改變，並且在環境溫度下，電容量的變化也可忽略。另一方面，CAN12X153KARAC7800 和 CAN12X223KARAC7800 陶瓷電容的 X7L 會隨著時間或電壓具有可預期的電容量變化，隨著環境溫度具有最小的電容量變化。

CAN12X153KARAC7800 陶瓷電容提供 0.015 µF 的電容量，CAN12X223KARAC7800 元件則具有 0.022 µF 的電容量。兩款 MLCC 元件都提供 10% 容差。

結論

電力傳輸系統不斷縮小，並且在更小的外型尺寸中納入更多功率。從伺服器電源供應器、無線充電器，以致於電源逆變器，MLCC 在設計中均扮演重要的角色。MLCC 能平滑 DC 和 AC 電壓、穩定電流漣波，並且確保電源設計中的熱管理，以提升轉換效率。就如本文所述，選擇 Class I 和 Class II 介電質能讓 MLCC 依據特定應用需求，提供適當電容量和其他關鍵參數，如 ESR 和 ESL。