村田：高功率谐振电路中，MLCC的选择标准和注意事项

　　本文介绍适用于汽车OBC、无线电力传输和服务器中的谐振电路的高压低损耗多层陶瓷电容器(MLCC)，详细阐述近年来在高功率LC和LLC谐振电路中使用这些电容器的特性和选择标准。

　　1.高功率电源系统市场趋势

　　近年来，在高功率电源系统中，谐振电路的应用越来越多。

　　LLC谐振电路大范围用于100W及以上的高效率电源中，例如EV和PHV(电动汽车和插电式混合动力汽车)的车载OBC、服务器电源和用于大型设备的电源中，采用率预计超过90%。

　　此外，在无线功率传输(WPT)中，LC谐振电路用于传输和接收大量电力。配备WPT的产品不仅用于智能手机和平板电脑等小型设备，还用于汽车和制造过程中的运输机器人等大型产品中。

　　高功率电源系统中谐振电路越来越普遍，需要用到容量更大、损耗更低的谐振电容器。

　　虽然多种类型的谐振电路(如LC和LLC谐振电路)变得越来越普遍，但处理大量功率的谐振电容器(谐振电路中使用的电容器)需要具有10nF或更大的稳定电容和低损耗性能。

　　过去，薄膜电容器是唯一可用的选择，如今多层陶瓷电容器因其多样化的优点而成为主流。尤其对于需要高功率密度的谐振电路来说，多层陶瓷器是其首选。

　　这篇技术文章中，我们解释使用多层陶瓷电容作为谐振电容器的好处，并介绍其特性、使用时的注意事项、选择时的考虑因素和村田产品阵容。

　　2.大功率谐振电路中的谐振电容器

　　这里，我们分三种情况来讨论。

　　2.1 高电压谐振电路

　　在处理高电流的产品(如车载WPT)中使用的谐振电路中，施加到电容器的电压V(p-p)可能非常高，范围从数百伏(p-p)到1万伏(p-p)，在某些情况下可达1万伏(p-p)。由于多层陶瓷电容器的额定电压为630Vdc或1000Vdc，因此需要串联电容器以确保在高电压下工作时，使该V(p-p)保持在额定电压范围内。

　　由于电容器串联时组合电容会减小，因此须通过并联来确保所需的电容。

　　因此，谐振电容器越来越多地用于多串联和多并联连接，并且需要具有更小安装面积的产品。

　　2.2高谐振频率的谐振电路

　　在汽车市场，根据国际标准，汽车WPT的谐振频率固定为85kHz，但用于EV和PHV OBC，谐振频率因制造商而异，范围从60kHz到400kHz。在这些应用中，高频高压被施加到电容器上，容易增加其自热。

　　因此，谐振电容器需要具有更低的损耗，并抑制长期使用过程中自发热的增加。

　　2. 3MLCC .vs. 薄膜电容器

　　与薄膜电容器相比，多层陶瓷电容器具有更高的最高工作温度和更低的发热，因此具有优异的长期可靠性。

　　此外，对于具有相同电容的产品，它们的特点是体积更小，ESL更低。

　　由于这些特点，多层陶瓷电容器在大功率谐振电路中被大范围用作谐振电容器。

　　多层陶瓷电容器的特性

　　安装面积(体积)小

　　低发热(低ESR)

　　低ESL

　　出色的长期可靠性

　　最高工作温度高

　　3. 中高压、低损耗MLCC方案

　　如上所述，高功率谐振电路(如汽车用WPT和电动汽车和PHV用OBC)需要具有低损耗和不易产生自热的谐振电容器。为了满足对谐振电容器的需求，Murata提供了一系列额定电压为630Vdc和1000Vdc且使用低损耗材料的中高压多层陶瓷电容器。

　　产品分为两种类型：标准型片式和带金属端子型片式陶瓷电容(见上表)。

　　金属端子类型可以通过连接金属端子将大型芯片(5750M 尺寸)堆叠成两层，这不仅减少了安装面积，还有助于降低汽车市场中令人担忧的“焊料开裂”风险。由于电容器串联时组合电容会减小，因此须通过并联来确保所需的电容。

　　内置谐振电路的车载OBC、服务器电源和大型设施电源等大型产品由于使用时间长，因此需要电容器的长期可靠性。对于这些多层陶瓷电容器，在连续使用的情况下，目标寿命为10年。

　　4. 选择谐振电容器要注意什么?

　　包括上述介绍的产品在内，在选择谐振电路中使用的电容器(谐振电容器)时，需要注意一些事项。在大功率应用中，谐振电容器的选择不正确可能导致设备冒烟或起火。这也适用于多层陶瓷电容器，它们具备低发热量和长期可靠性;因此，必须在充分考虑其特性后进行选择。

　　我们将解释两个我们认为特别重要的项目：“电容器的自加热”和“电压偏离曲线”。

　　4.1自热限制

　　在高功率应用中使用的谐振电容器在施加电压后立即产生初始热量后，自发热增加。即使在多层陶瓷电容器中，自发热的增加也是不可避免的，但在目标使用寿命(例如10年)内，应避免电压和频率条件超过125°C的最高工作温度(下图)。

　　电容器表面温度的变化

　　Murata的多层陶瓷电容器将允许电压Vdc定义为电容器表面温度在其目标寿命期间达到最高工作温度125°C的电压。在选择电容器时，施加的电压V(p-p)必须保持在该允许电压内。

　　对于每个项目，我们设置了根据频率显示允许电压的“电压偏离曲线”(见下图)，并在网站上的产品规格和规格表中提供了详细说明。

　　基于自加热评估的允许电压曲线设置

　　4.1 允许电压的限制

　　这里是我们对允许电压和频率之间关系的看法。上图所示的“电压折损曲线”概括了为每个项目设置的允许电压图，根据频率范围可分为三个区域。

　　区域1：

　　频率范围―低于几十kHz：受额定电压限制。

　　由于几个10kHz或更低的低频，电容器的自加热是最小的，额定电压成为允许电压。然而，为中、高压低损耗设计的多层陶瓷电容器在该低频范围内作为谐振电容器使用的情况很少见。

　　区域2：

　　频率范围―几十kHz到几百kHz：由于连续温度升高受到限制。

　　施加电压后的立即自热在ΔT20度以内，但由于施加几十kHz～几百kHz的高电压，该区域的自热增加。无论是低损耗还是高介电常数片式电容器，我们都要求工作条件确保电容器的自加热保持在20度ΔT内。

　　在该区域，允许电压定义为电容器表面温度达到最高工作温度125°C之前的目标寿命(在这里介绍的产品中，目标寿命为10年)的电压。使用中高压、低损耗多层陶瓷电容器作为谐振电容器的情况大多属于这一区域。

　　区域3：

　　频率范围―几百kHz或更高：由于施加电压后立即产生初始热量而受到限制。

　　当频率进一步增加时，施加电压后电容器的自发热会立即超过ΔT20度。如前所述，我们要求，无论低损耗或高介电常数贴片电容器，工作条件都应确保电容器的自加热保持在ΔT20度以内。即使在中、高压低损耗多层陶瓷电容器中，允许电压定义也是自加热达到20度ΔT的电压。因此，应选择温度低于此阈值的产品。

　　5.谐振电路MLCC选型工具

　　如上所述，选择谐振电容器需要考虑多种特性，这增加了元件选择的难度。这可能是使快速增长领域的技术进步复杂化的一个因素，例如汽车OBC、服务器电源和大型设备电源。特别需要强调以下两点：

　　由于施加的电压有升高的趋势，经常会使用多个串联和并联连接，因此需要计算等效电容。

　　有必要将单个电容器的施加电压V(p-p)保持在“额定电压”以下。

　　村田制作所开发了一款名为“SimSurfing”的工具，该工具支持根据客户的使用环境选择最佳谐振电容器。只需输入谐振电容器的工作电压、温度和所需静电容量，该工具就能显示最佳产品以及推荐的串联和并联连接数。该工具有助于减轻客户在零件选择和设计过程中的负担。