Passive Bauelemente Keramikkondensatoren steigern Leistungsdichte und Wirkungsgrad

Autor / Redakteur: Rolf Horn * / Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Stromversorgungssysteme sollen immer kompakter und leistungsfähiger werden. Mehrschicht-Keramikondensatoren spielen auf dem Weg zu diesem Ziel eine entscheidende Rolle.

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Bild 1: Keramische Dielektrika werden nach Temperaturstabilität und Dielektrizitätskonstante kategorisiert.
Bild 1: Keramische Dielektrika werden nach Temperaturstabilität und Dielektrizitätskonstante kategorisiert.
(Bild: Kemet)

Von Datenservern für das Internet der Dinge (IoT) bis hin zu Elektrofahrzeugen (EVs) stehen die Entwickler von Stromversorgungssystemen unter ständigem Druck, eine höhere Leistungsdichte und Umwandlungseffizienz zu erreichen. Während der Schwerpunkt auf Halbleiterschaltkomponenten lag, um diese Verbesserungen zu erreichen, können die inhärenten Eigenschaften von Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) auch eine wichtige Rolle bei der Unterstützung von Entwicklern bei der Erfüllung ihrer Designanforderungen spielen. Zu diesen Eigenschaften gehören niedrige Verluste, hohe Spannungs- und Welligkeitsstrombelastbarkeit, hohe Spannungsfestigkeit und hohe Stabilität bei extremen Betriebstemperaturen.

Dieser Beitrag beschreibt den Aufbau von MLCCs und wie Keramikkondensatoren die Belastbarkeit von Gleich- und Wechselstromschienen erhöhen und gleichzeitig schnell schaltende Halbleiter ergänzen. Er beleuchtet auch die Dielektrika der Klassen I und II und wie sie es ermöglichen, dass Miniatur-MLCCs Leistungssysteme wie Dämpfer und Resonanzwandler bedienen können.

Der Aufbau von Mehrschicht- Keramikkondensatoren

MLCCs sind monolithische Bauelemente, die aus abwechselnden Schichten keramischer Dielektrika und Metallelektroden aufgebaut sind (Bild 1). Die laminierten Schichten in MLCCs werden bei hohen Temperaturen aufgebaut, um ein gesintertes und volumetrisch effizientes Kapazitätsbauelement herzustellen. Als nächstes wird ein leitendes Abschlussbarrierensystem an den freiliegenden Enden des Geräts integriert, um die Verbindung zu vervollständigen.

Unpolare Keramikbauelemente, die einen größeren volumetrischen Wirkungsgrad bieten, können eine höhere Kapazität in kleineren Gehäusegrößen liefern. Außerdem sind sie bei Hochfrequenzoperationen zuverlässiger. Dadurch können MLCCs die richtige Kombination aus Dielektrikum, Abschlusssystem, Formfaktor und Abschirmung bieten.

Dennoch erfordern mehrere Aspekte bei der Auswahl von Keramikkondensatoren für Anwendungen mit hoher Leistungsdichte die gebührende Sorgfalt seitens der Entwickler. Zunächst einmal kann die Kapazität durch die Betriebstemperatur, die angelegte DC-Vorspannung und die Zeit nach der letzten Erwärmung beeinflusst werden. Die Zeit nach der letzten Erwärmung kann z.B. eine Kapazitätsverschiebung verursachen, die zu einer Alterung des Kondensators führt (Bild 2).

Bild 2: Die Alterungsraten in Kapazitätsprozent über die Zeit.
Bild 2: Die Alterungsraten in Kapazitätsprozent über die Zeit.
(Bild: Kemet)

Noch wichtiger ist, dass die von schnell schaltenden IGBT- oder MOSFET-Halbleiterbauelementen erzeugten Welligkeiten die Leistung beeinträchtigen können, da jeder Kondensator eine gewisse Impedanz und Eigeninduktivität aufweist. Daher ist es zwingend erforderlich, dass Kondensatoren die Schwankungen begrenzen, da Geräte wie Wechselrichter sporadisch hohe Ströme benötigen, was eine hohe Welligkeitstromtoleranz erfordert.

Effektiver Serienwiderstand als wichtige Kenngröße

Dann gibt es noch den effektiven Serienwiderstand (ESR) des Kondensators, eine wichtige Kenngröße, die den gesamten bei einer gegebenen Frequenz und Temperatur spezifizierten Innenwiderstand darstellt. Durch die Minimierung des ESR reduziert ein Entwickler den Leistungsverlust aufgrund von Wärmeerzeugung.

Als nächstes erhöht eine niedrige effektive Serieninduktivität (ESL) den Betriebsfrequenzbereich und ermöglicht eine weitere Miniaturisierung von Keramikkondensatoren. Zusammen erhöhen ein niedriger ESR und eine niedrige ESL die Belastbarkeit eines Kondensators und minimieren die parasitären Geräteparameter. Darüber hinaus tragen sie zu geringeren Verlusten bei, was wiederum den Betrieb der Kondensatoren bei hohen Welligkeitsströmen ermöglicht.

Bild 3: Dielektrische Materialien der Klasse I und der Klasse II unterscheiden sich hauptsächlich darin, wie stark sich die Kapazität bei einer bestimmten Temperatur ändert.
Bild 3: Dielektrische Materialien der Klasse I und der Klasse II unterscheiden sich hauptsächlich darin, wie stark sich die Kapazität bei einer bestimmten Temperatur ändert.
(Bild: Kemet)

Eine weitere kritische Designüberlegung ist die Wahl des dielektrischen Materials. Dies bestimmt die Änderung der Kapazität über der Temperatur (Bild 3). Dielektrische Materialien der Klasse I wie C0G und U2J bieten zwar temperaturstabilere Dielektrika, haben aber eine niedrigere Dielektrizitätskonstante K. Auf der anderen Seite weisen Materialien der Klasse II wie X7R und X5R eine mittlere Stabilität sowie einen mittleren K-Wert auf und bieten gleichzeitig wesentlich höhere Kapazitätswerte.

Keramikkondensatoren ersetzen Folienkondensatoren

Bei schnell schaltenden Stromversorgungssystemen gilt jedoch: je höher die Betriebsfrequenz, desto geringer ist die zur Leistungsabgabe erforderliche Kapazität. Dadurch können Keramikkondensatoren mit niedrigerem K-Wert sperrige Folienkondensatoren mit hoher Kapazität ersetzen, wodurch die Leistungsdichte deutlich erhöht wird. Diese Keramikkondensatoren haben einen kleineren Footprint, sodass sie näher an schnell schaltenden Halbleitern montiert werden können und bei Anwendungen mit hoher Leistungsdichte nur minimale Kühlung erfordern.

Dielektrische Mehrschicht-­Keramikkondensatoren Klasse I

Kemets KC-Link-Kondensatoren wie der CKC33C224KCGACAUTO (0,22 µF, 500 V), der CKC33C224JCGACAUTO (0,22 µF, 500 V) und der CKC18C153JDGACAUTO (15 nF, 1000 V) sind gute Beispiele für die Klasse I. Sie verwenden ein Kalziumzirkonat-Dielektrikum der Klasse I, das einen extrem stabilen Betrieb ohne Kapazitätsverlust aufgrund von Schaltfrequenz, angelegter Spannung oder Umgebungstemperatur ermöglicht. Das verlustarme Kalziumzirkonat-Dielektrikum minimiert auch die Alterungseffekte, da es keine Kapazitätsverschiebung über die Zeit gibt.

Die KC-Link-Kondensatoren nutzen die C0G-Dielektrikumstechnologie, um einen sehr niedrigen ESR und die Fähigkeit zur Bewältigung eines sehr hohen Welligkeitsstroms zu erreichen, der für Designs mit hoher Leistungsdichte erforderlich ist. Die hohe mechanische Robustheit ermöglicht es, diese Keramikkondensatoren der Klasse I ohne die Verwendung von Leadframes zu montieren, was ebenfalls zu einem extrem niedrigen ESL beiträgt.

Bild 4: Mit einer Betriebstemperatur von 150 °C können KC-LINK-Keramikkondensatoren in Anwendungen mit hoher Leistungsdichte, die eine minimale Kühlung erfordern, näher an schnell schaltenden Halbleitern platziert werden.
Bild 4: Mit einer Betriebstemperatur von 150 °C können KC-LINK-Keramikkondensatoren in Anwendungen mit hoher Leistungsdichte, die eine minimale Kühlung erfordern, näher an schnell schaltenden Halbleitern platziert werden.
(Bild: Kemet)

Diese Keramikkondensatoren können bei sehr hohen Welligkeitsströmen ohne Änderung der Kapazität gegenüber der Gleichspannung und bei vernachlässigbarer Änderung der Kapazität über einem Betriebstemperaturbereich von –55 bis 150 °C betrieben werden. Sie sind mit Kapazitätswerten von 4,7 bis 220 nF und Nennspannungen von 500 bis 1700 V erhältlich (Bild 4).

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass KC-Link-Kondensatoren, die auf dielektrischem Material der Klasse I basieren, eine geringere chipeigene Kapazität bieten als gleichwertige Kondensatoren der Klasse II. Wenn also mehr Kapazität benötigt wird, können mehrere KC-Link-Kondensatoren zu einer einzigen monolithischen Struktur verbunden werden, um eine höhere Packungsdichte zu erzielen.

Das Ergebnis dieser Kondensatorkonsolidierung ist eine rauscharme Lösung ähnlich wie KC-Link, jedoch mit bis zu 125% mehr Kapazität. Die oberflächenmontierbaren Konnekt-Kondensatoren von Kemet, die ebenfalls auf einem dielektrischen Material der Klasse I basieren, bieten höhere Kapazitätswerte im Bereich von 100 pF bis 0,47 µF. Sie behalten über 99% ihrer Nennkapazität bei Nennspannungen und eignen sich gut für zeitkritische und Anwendungen, die Temperaturzyklen und Plattenbiegung unterliegen.

Stapelung von MLCCs für mehr Kapazität

Die Konnekt-Keramikkondensatoren, einschließlich der C1812C145J5JLC7805, der C1812C944J5JLC7800 und der C1812C944J5JLC7805, werden durch vertikales oder horizontales Stapeln von zwei bis vier Keramikkondensatoren erzeugt, wobei die Integrität des Bauelements erhalten bleibt. Der Keramikkondensator C1812C944J5JLC7800 bietet eine Kapazität von 0,94 µF durch Stapeln von zwei Bauelementen, während der Keramikkondensator C1812C145J5JLC7805 den Kapazitätswert auf 1,4 µF bringt, wenn drei Bauelemente gestapelt werden.

Diese MLCCs nutzen das transiente Flüssigphasen-Sintern (TLPS), um Komponentenabschlüsse miteinander zu verbinden und so eine bleifreie Multichip-Lösung zu schaffen. Die bleifreie Multichip-Lösung macht den Kondensator kompatibel mit bestehenden Reflow-Prozessen. TLPS, eine Metallmatrix-Kompositverbindung aus Kupfer-Zinn-Material, wird als Ersatz für Lot verwendet. Es bildet eine metallurgische Verbindung zwischen zwei Oberflächen, in diesem Fall den U2J-Schichten.

Bild 5: MLCCs können gestapelt werden, um die Kapazität zu erhöhen, und in einer verlustarmen Ausrichtung platziert werden, um ESR und ESL zu senken.
Bild 5: MLCCs können gestapelt werden, um die Kapazität zu erhöhen, und in einer verlustarmen Ausrichtung platziert werden, um ESR und ESL zu senken.
(Bild: Kemet)

Die Tatsache, dass Kondensatoren in beiden Ausrichtungen integriert werden können, minimiert die Grundfläche der Komponenten und maximiert die Gesamtkapazität eines gestapelten MLCC-Bauelements (Bild 5), wodurch Konnekt-Keramikkondensatoren den Kapazitätsbereich erreichen können, der bisher nur mit dielektrischen Materialien der Klasse II wie X5R und X7R möglich war.

Bei einer verlustarmen Ausrichtung wird weniger elektrische Energie in Wärme umgewandelt, was wiederum die Energieeffizienz verbessert und die Belastbarkeit eines Kondensators weiter erhöht. Die verlustarme Ausrichtung senkt außerdem sowohl ESR als auch ESL und erhöht somit die Fähigkeit eines Keramikkondensators, mit Welligkeitsströmen umzugehen.

Die Verwendung von TLPS-Material in Kombination mit einem ultrastabilen Dielektrikum ermöglicht es Keramikkondensatoren, extrem hohe Welligkeitsströme im Bereich von Hunderten von Kilohertz zu bewältigen. Bei dem U2J-Konnekt-Kondensator C1812C145J5JLC7805 mit 1,4 μF beträgt der ESL beispielsweise 1,6 nH, wenn er in der Standardausrichtung montiert ist, aber er reduziert sich auf 0,4 nH in verlustarmer Ausrichtung. Ebenso wird bei verlustarmer Ausrichtung der ESR von 1,3 auf 0,35 mΩ reduziert, wodurch die Systemverluste gesenkt und der Temperaturanstieg begrenzt wird.

Die oberflächenmontierbaren U2J-Konnekt-Kondensatoren von Kemet begrenzen ihre Kapazitätsänderung auf –750 ±120 ppm/K über einen Temperaturbereich von –55 bis 125 °C. Dadurch weist der U2J-Keramikkondensator eine vernachlässigbare Verschiebung der Kapazität gegenüber der Gleichspannung und eine vorhersehbare lineare Kapazitätsänderung in Bezug auf die Umgebungstemperatur auf.

Keramikkondensatoren für Wechselstromleitungen

Die in den obigen Abschnitten erwähnten Keramikkondensatoren stabilisieren und glätten die Spannung und den Strom auf Gleichstromschienen und verhindern so Entkopplungsspitzen, die durch schnelles Schalten verursacht werden. Keramikkondensatoren werden jedoch auch in AC-Netzfiltern, AC/DC-Wandlern und PFC-Schaltungen eingesetzt.

In diesem Zusammenhang ist es wichtig zu beachten, dass Keramikkondensatoren für Wechselstromleitungen sowohl in sicherheitsbewerteten als auch in nicht sicherheitsbewerteten Ausführungen erhältlich sind. Während die sicherheitsbewerteten Kondensatoren elektrisches Rauschen unterdrücken und die Schaltungen vor Überspannungen und Transienten schützen, sind höhere Kapazitäts-/Spannungspegel (CV) in diesen sicherheitszertifizierten MLCCs nicht verfügbar.

Nicht sicherheitsbewertete AC-Keramikkondensatoren, die in einer Vielzahl von Größen und CV-Werten erhältlich sind, können für den Dauerbetrieb unter AC-Leitungsbedingungen verwendet werden. Die Keramikkondensatoren der CAN-Serie von KEMET sind für Wechselstromnetze bis 250 VAC bei Netzfrequenzen von 50/60 Hz und andere nicht sicherheitsrelevante Anwendungen geeignet.

Bild 6: Die Wechselstromkondensatoren der CAN-Serie bieten einen niedrigen Leckstrom und einen niedrigen ESR bei höheren Frequenzen.
Bild 6: Die Wechselstromkondensatoren der CAN-Serie bieten einen niedrigen Leckstrom und einen niedrigen ESR bei höheren Frequenzen.
(Bild: Kemet)

Die Wechselstromkondensatoren bieten einen niedrigen Leckstrom und einen niedrigen ESR bei hohen Frequenzen (Bild 6). Sie eignen sich sowohl für Anwendungen von Leitung zu Leitung (Klasse X) als auch von Leitung zu Erde (Klasse Y) und erfüllen die in der Norm IEC 60384 festgelegten Impulskriterien.

Die Keramikkondensatoren der CAN-Serie sind sowohl mit X7R- als auch mit C0G-Dielektrika erhältlich. Das C0G-Dielektrikum weist, wie im Fall der DC-Zwischenkreiskondensatoren gezeigt, keine Kapazitätsänderung über Zeit und Spannung und nur eine vernachlässigbare Kapazitätsänderung in Bezug auf die Umgebungstemperatur auf. Andererseits weist X7R bei Keramikkondensatoren wie dem CAN12X153KARAC7800 und dem CAN12X223KARAC7800 eine vorhersehbare Kapazitätsänderung bezüglich Zeit und Spannung auf und weist eine minimale Kapazitätsänderung aufgrund der Umgebungstemperatur auf.

Der Keramikkondensator CAN12X153KARAC7800 bietet einen Kapazitätswert von 0,015 µF, während der Baustein CAN12X223KARAC7800 eine Kapazität von 0,022 µF aufweist. Beide MLCC-Komponenten bieten eine Toleranz von 10%.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 5/2021 (Download PDF)

Dielektrika der Klassen I und II bieten Vorteile

Da Stromversorgungssysteme weiter schrumpfen und mehr Leistung in kleinere Formfaktoren packen, spielen MLCCs eine entscheidende Rolle in Designs, die von Server-Stromversorgungen über drahtlose Ladegeräte bis hin zu Wechselrichtern reichen. Sie glätten Gleich- und Wechselspannungen, stabilisieren die Stromwelligkeit und gewährleisten das Wärmemanagement in Leistungsdesigns, die den Umwandlungswirkungsgrad verbessern sollen. Wie hier gezeigt, bietet die Wahl von Dielektrika der Klassen I und II den MLCCs eine Hebelwirkung, um die Kapazität und andere kritische Parameter wie ESR und ESL entsprechend den spezifischen Anwendungsanforderungen anzupassen.

* Rolf Horn ist Applications Engineer bei Digi-Key Electronics.

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