現(xiàn)代世界是一個(gè)耗電量巨大的地方，預(yù)計(jì)到2020年需求將超過30皮瓦[1]。推動(dòng)這一數(shù)字增長的引人注目的應(yīng)用是5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)（IoT），數(shù)據(jù)中心的不懈擴(kuò)展以及現(xiàn)在的EV充電。電網(wǎng)上的所有這些負(fù)載都通過功率轉(zhuǎn)換器進(jìn)行路由，將線路AC轉(zhuǎn)換為最終電路所需的DC電平。也許令人驚訝的是，根據(jù)非政府組織CLASP[2]，工業(yè)中的馬達(dá)也是能源需求的巨大貢獻(xiàn)者，占全球總消費(fèi)量的53％。這些也越來越多地由智能DC-AC逆變器或變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD）驅(qū)動(dòng)，這些變頻器在改善功能的同時(shí)節(jié)省了能源。

在所有這些應(yīng)用中，功率轉(zhuǎn)換的效率都是一個(gè)主要問題，每個(gè)百分點(diǎn)的提高代表著運(yùn)營支出的減少，對(duì)環(huán)境的影響也較小。盡管過去通過半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但是由于效率曲線的指數(shù)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)這些成就變得越來越困難。因此，盡管從99％提高到99.5％的0.5％聽起來是可以實(shí)現(xiàn)的，但實(shí)際上它要求將顯示的功率損耗減半?，F(xiàn)在，不應(yīng)該將精力集中在整個(gè)系統(tǒng)上，而是將注意力集中在整個(gè)系統(tǒng)上，而不是完全專注于IC。盡管以前被忽略了，

電容器也會(huì)造成功率損耗

在功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，電容器最常被用作“去耦”，以吸收濾波器中的高頻紋波電流，從而降低中間DC總線或輸出或“緩沖”網(wǎng)絡(luò)中的紋波電壓，以限制半導(dǎo)體上可能有害的瞬態(tài)電壓。在大功率總線或“ DC鏈路”上，電容器可能會(huì)遇到數(shù)十安培或數(shù)百安培的高壓，高溫以及高頻和低頻紋波電流的組合。作為緩沖器，情況可能與高dV / dt電平的額外應(yīng)力要求低寄生電感相似。在高效諧振轉(zhuǎn)換器中還有一個(gè)相對(duì)較新的應(yīng)用，在該諧振轉(zhuǎn)換器中，需要電容器來耦合諧振“儲(chǔ)罐”中的滿載功率，從而要求高紋波電流額定值，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的電容穩(wěn)定性以及寬的DC和AC工作范圍。2R損耗會(huì)產(chǎn)生散熱并可能導(dǎo)致熱失控。

在這些應(yīng)用中，已使用薄膜或什至電解電容器類型來實(shí)現(xiàn)所需的高電容值，但組件的物理尺寸較大以最小化ESR。但是，隨著開關(guān)頻率隨時(shí)間增加，這意味著所需的電容水平成比例降低。這開辟了使用具有高紋波電流額定值和極低ESR特性的多層陶瓷電容器（MLCC）的可能性。

MLCC類型的選擇很重要

MLCC分為兩類：I類具有CaZrO3電介質(zhì)，II類使用BaTiO3。在這些類別中，存在具有不同溫度穩(wěn)定性特征的類型。例如，I類中的C0G，NPO，U2J具有良好的穩(wěn)定性，但單位體積的電容量較低，而II類中的X7R和X5R具有很高的實(shí)際電容值，但是，實(shí)際電容值會(huì)隨工作溫度，直流偏置和“最后加熱后的時(shí)間”而變化（老化）。

I類類型通常適用于緩沖器和諧振轉(zhuǎn)換器，例如用于無線充電的設(shè)備，其中穩(wěn)定性和低ESR很重要，但所需的電容值通常較低。II類類型X7R和X5R可用于需要數(shù)十甚至數(shù)百微法拉的場(chǎng)合，但它們的ESR值可能比I類類型高兩個(gè)數(shù)量級(jí)（圖1）。

圖1：X7R和C0G / U2J MLCC的ESR頻率圖（來源：KEMET）

II類MLCC的較高ESR值不可避免地導(dǎo)致較高的損耗和溫度上升。以KEMET為例，對(duì)1812封裝類型之間的比較顯示，U2J和C0G MLCC的上升溫度低于5°C，而X7R封裝的上升電流則為40A，兩者均以5A rms的紋波電流實(shí)現(xiàn)。KEMET的額定溫度為150°C的KC-LINKTM[3]的I類類型也比等效的II類MLCC具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，其斷裂模量（MOR）約為2倍。這樣就避免了在電容器結(jié)構(gòu)中使用引線框架，從而將等效串聯(lián)電感（ESL）降至1nH以下?，F(xiàn)在，可用的電容值在微法拉范圍內(nèi)，很明顯，I類類型是最低損耗的最佳解決方案。

當(dāng)需要更高的電容值時(shí)，可以將I類MLCC并聯(lián)，而不必占用更多的電路板空間。KEMET KONNEKTTM技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)方向或低損耗方向上堆疊1812尺寸的電容器，后一種方式可提供最低的ESR和ESL，從而將損耗降至最低（圖2）。例如，它們的U2J 1.4μF組件（三個(gè)0.47μF類型的堆棧）在標(biāo)準(zhǔn)方向上的ESR為1.3毫歐，在低損耗方向上的ESR為0.35毫歐，而ESL同樣從1.6nH降至0.4nH。

圖2：KEMET KONNEKTTM技術(shù)在相同的占位面積上增加了標(biāo)準(zhǔn)方向和低損耗方向的電容

有時(shí)候，一切都與容量有關(guān)

在某些應(yīng)用中，給定體積中的最大電容是優(yōu)先事項(xiàng)。例如，當(dāng)電源中斷時(shí)，需要在DC總線上進(jìn)行保持。保持時(shí)間為T時(shí)所需的電容C，而由電源P加載的總線電壓從V1下降到V2的公式為：

C = 2 x P x T /（V12-V22）

例如，對(duì)于僅100W的負(fù)載和數(shù)據(jù)中心總線上的10ms保持時(shí)間從48V降至36V的情況，所需的C為2000μF。

對(duì)于MLCC，所需的許多II類并聯(lián)零件的占位面積可能會(huì)過高，尤其是當(dāng)它們?cè)陬~定電壓和溫度附近工作時(shí)，實(shí)際電容會(huì)顯著下降。鋁電解電容器會(huì)更小，但壽命有限且具有較高的ESR，但現(xiàn)在可以考慮使用的替代品是鉭聚合物電容器，其容量比II類MLCC更好，但在施加的電壓和溫度下穩(wěn)定，且ESR高于II類MLCC，但仍優(yōu)于鋁電解。[4]。

電感也有損耗

電感器用于濾波器中的功率轉(zhuǎn)換，在濾波器中，電容器像電容器一樣，可以看到高連續(xù)電流，并且有交流紋波疊加。在使用同步整流的現(xiàn)代AC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，紋波電流與DC值在數(shù)量級(jí)上相當(dāng)普遍，例如，在數(shù)據(jù)中心可能為數(shù)百安培。AC分量會(huì)產(chǎn)生磁滯和渦流磁芯損耗，這些損耗在很大程度上取決于頻率和磁芯材料，而DC分量則導(dǎo)致繞組線的電阻耗散。選擇具有高飽和磁通密度和低固有交流損耗的鐵心材料可減少繞組匝數(shù)，從而將總的直流電阻和直流損耗降至最低。金屬復(fù)合芯，例如METCOM系列[5]KEMET的KEMET是一種受歡迎的選擇，具有較低的AC和DC損耗以及在溫度和電流范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的電感。

圖3：具有模壓金屬復(fù)合芯的低損耗電感器（KEMET METCOM系列）

結(jié)論

隨著功率轉(zhuǎn)換器效率預(yù)期的提高，無源元件中的損耗正變得越來越成問題。但是，可以使用新技術(shù)組件，這些組件可以幫助設(shè)計(jì)人員將其推向理論極限。

編輯：hfy