產品技術分享 | 高功率諧振電路中，MLCC的選擇標準和注意事項
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本文介紹適用于汽車OBC、無線電力傳輸和服務器中的諧振電路的高壓低損耗多層陶瓷電容器（MLCC），詳細闡述近年來在高功率LC和LLC諧振電路中使用這些電容器的特性和選擇標準。
關鍵字
1、高功率電源系統市場趨勢
近年來，在高功率電源系統中，諧振電路的應用越來越多。
LLC諧振電路大范圍用于100W及以上的高效率電源中，例如EV和PHV（電動汽車和插電式混合動力汽車）的車載OBC、服務器電源和用于大型設備的電源中，采用率預計超過90%。
此外，在無線功率傳輸（WPT）中，LC諧振電路用于傳輸和接收大量電力。配備WPT的產品不僅用于智能手機和平板電腦等小型設備，還用于汽車和制造過程中的運輸機器人等大型產品中。
高功率電源系統中諧振電路越來越普遍，需要用到容量更大、損耗更低的諧振電容器。
雖然多種類型的諧振電路（如LC和LLC諧振電路）變得越來越普遍，但處理大量功率的諧振電容器（諧振電路中使用的電容器）需要具有10nF或更大的穩定電容和低損耗性能。
過去，薄膜電容器是唯一可用的選擇，如今多層陶瓷電容器因其多樣化的優點而成為主流。尤其對于需要高功率密度的諧振電路來說，多層陶瓷器是其首選。
這篇技術文章中，我們解釋使用多層陶瓷電容作為諧振電容器的好處，并介紹其特性、使用時的注意事項、選擇時的考慮因素和村田產品陣容。
2、大功率諧振電路中的諧振電容器
這里，我們分三種情況來討論。
2.1
高電壓諧振電路
在處理高電流的產品（如車載WPT）中使用的諧振電路中，施加到電容器的電壓V（p-p）可能非常高，范圍從數百伏（p-p）到1萬伏（p-p），在某些情況下可達1萬伏（p-p）。由于多層陶瓷電容器的額定電壓為630Vdc或1000Vdc，因此需要串聯電容器以確保在高電壓下工作時，使該V（p-p）保持在額定電壓范圍內。
由于電容器串聯時組合電容會減小，因此須通過并聯來確保所需的電容。
因此，諧振電容器越來越多地用于多串聯和多并聯連接，并且需要具有更小安裝面積的產品。
2.2
高諧振頻率的諧振電路
在汽車市場，根據國際標準，汽車WPT的諧振頻率固定為85kHz，但用于EV和PHV OBC，諧振頻率因制造商而異，范圍從60kHz到400kHz。在這些應用中，高頻高壓被施加到電容器上，容易增加其自熱。
因此，諧振電容器需要具有更低的損耗，并抑制長期使用過程中自發熱的增加。
2.3
MLCC .vs. 薄膜電容器
與薄膜電容器相比，多層陶瓷電容器具有更高的最高工作溫度和更低的發熱，因此具有優異的長期可靠性。
此外，對于具有相同電容的產品，它們的特點是體積更小，ESL更低。
由于這些特點，多層陶瓷電容器在大功率諧振電路中被大范圍用作諧振電容器。
多層陶瓷電容器的特性
安裝面積（體積）小
低發熱（低ESR）
低ESL
出色的長期可靠性
最高工作溫度高
3、中高壓、低損耗MLCC方案
如上所述，高功率諧振電路（如汽車用WPT和電動汽車和PHV用OBC）需要具有低損耗和不易產生自熱的諧振電容器。為了滿足對諧振電容器的需求，Murata提供了一系列額定電壓為630Vdc和1000Vdc且使用低損耗材料的中高壓多層陶瓷電容器。
工作溫度范圍 | ?55～+125°C | ?55～+125°C |
溫度范圍 | C0G(EIA):0±30ppm/°C (25～125°C) | C0G(EIA):0±30ppm/°C (25～125°C) |
村田方案中的元件主要規格參數
產品分為兩種類型：標準型片式和帶金屬端子型片式陶瓷電容（見上表）。
金屬端子類型可以通過連接金屬端子將大型芯片（5750M 尺寸）堆疊成兩層，這不僅減少了安裝面積，還有助于降低汽車市場中令人擔憂的“焊料開裂”風險。由于電容器串聯時組合電容會減小，因此須通過并聯來確保所需的電容。
內置諧振電路的車載OBC、服務器電源和大型設施電源等大型產品由于使用時間長，因此需要電容器的長期可靠性。對于這些多層陶瓷電容器，在連續使用的情況下，目標壽命為10年。
4、選擇諧振電容器要注意什么？
包括上述介紹的產品在內，在選擇諧振電路中使用的電容器（諧振電容器）時，需要注意一些事項。在大功率應用中，諧振電容器的選擇不正確可能導致設備冒煙或起火。這也適用于多層陶瓷電容器，它們具備低發熱量和長期可靠性；因此，必須在充分考慮其特性后進行選擇。
我們將解釋兩個我們認為特別重要的項目：“電容器的自加熱”和“電壓偏離曲線”。
起火圖片(此圖用于圖示)
我們將解釋兩個我們認為特別重要的項目：“電容器的自加熱”和“電壓偏離曲線”。
4.1
自熱限制
在高功率應用中使用的諧振電容器在施加電壓后立即產生初始熱量后，自發熱增加。即使在多層陶瓷電容器中，自發熱的增加也是不可避免的，但在目標使用壽命（例如10年）內，應避免電壓和頻率條件超過125°C的最高工作溫度（下圖）。
電容器表面溫度的變化
Murata的多層陶瓷電容器將允許電壓Vdc定義為電容器表面溫度在其目標壽命期間達到最高工作溫度125°C的電壓。在選擇電容器時，施加的電壓V（p-p）必須保持在該允許電壓內。
對于每個項目，我們設置了根據頻率顯示允許電壓的“電壓偏離曲線”（見下圖），并在網站上的產品規格和規格表中提供了詳細說明。
基于自加熱評估的允許電壓曲線設置
4.1
允許電壓的限制
這里是我們對允許電壓和頻率之間關系的看法。上圖所示的“電壓折損曲線”概括了為每個項目設置的允許電壓圖，根據頻率范圍可分為三個區域。
區域1：
頻率范圍―低于幾十kHz： 受額定電壓限制。
由于幾個10kHz或更低的低頻，電容器的自加熱是最小的，額定電壓成為允許電壓。然而，為中、高壓低損耗設計的多層陶瓷電容器在該低頻范圍內作為諧振電容器使用的情況很少見。
區域2：
頻率范圍―幾十kHz到幾百kHz： 由于連續溫度升高受到限制。
施加電壓后的立即自熱在ΔT20度以內，但由于施加幾十kHz～幾百kHz的高電壓，該區域的自熱增加。無論是低損耗還是高介電常數片式電容器，我們都要求工作條件確保電容器的自加熱保持在20度ΔT內。
在該區域，允許電壓定義為電容器表面溫度達到最高工作溫度125°C之前的目標壽命（在這里介紹的產品中，目標壽命為10年）的電壓。使用中高壓、低損耗多層陶瓷電容器作為諧振電容器的情況大多屬于這一區域。
區域3：
頻率范圍―幾百kHz或更高： 由于施加電壓后立即產生初始熱量而受到限制。
當頻率進一步增加時，施加電壓后電容器的自發熱會立即超過ΔT20度。如前所述，我們要求，無論低損耗或高介電常數貼片電容器，工作條件都應確保電容器的自加熱保持在ΔT20度以內。即使在中、高壓低損耗多層陶瓷電容器中，允許電壓定義也是自加熱達到20度ΔT的電壓。因此，應選擇溫度低于此閾值的產品。
5、諧振電路MLCC選型工具
如上所述，選擇諧振電容器需要考慮多種特性，這增加了元件選擇的難度。這可能是使快速增長領域的技術進步復雜化的一個因素，例如汽車OBC、服務器電源和大型設備電源。特別需要強調以下兩點：
由于施加的電壓有升高的趨勢，經常會使用多個串聯和并聯連接，因此需要計算等效電容。
有必要將單個電容器的施加電壓V（p-p）保持在“額定電壓”以下。
村田制作所開發了一款名為“ SimSurfing ”的工具，該工具支持根據客戶的使用環境選擇最佳諧振電容器。只需輸入諧振電容器的工作電壓、溫度和所需靜電容量，該工具就能顯示最佳產品以及推薦的串聯和并聯連接數。該工具有助于減輕客戶在零件選擇和設計過程中的負擔。
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