功率转换系统中无源元件中的损耗成了关键要素

现代世界是一个耗电量巨大的地方，预计到2020年需求将超过30皮瓦[1]。推动这一数字增长的引人注目的应用是5G蜂窝网络，物联网（IoT），数据中心的不懈扩展以及现在的EV充电。电网上的所有这些负载都通过功率转换器进行路由，将线路AC转换为最终电路所需的DC电平。也许令人惊讶的是，根据非政府组织CLASP[2]，工业中的马达也是能源需求的巨大贡献者，占全球总消费量的53％。这些也越来越多地由智能DC-AC逆变器或变频驱动器（VFD）驱动，这些变频器在改善功能的同时节省了能源。

在所有这些应用中，功率转换的效率都是一个主要问题，每个百分点的提高代表着运营支出的减少，对环境的影响也较小。尽管过去通过半导体技术的进步已经取得了重大进展，但是由于效率曲线的指数性质，实现这些成就变得越来越困难。因此，尽管从99％提高到99.5％的0.5％听起来是可以实现的，但实际上它要求将显示的功率损耗减半。现在，不应该将精力集中在整个系统上，而是将注意力集中在整个系统上，而不是完全专注于IC。尽管以前被忽略了，

电容器也会造成功率损耗

在功率转换系统中，电容器最常被用作“去耦”，以吸收滤波器中的高频纹波电流，从而降低中间DC总线或输出或“缓冲”网络中的纹波电压，以限制半导体上可能有害的瞬态电压。在大功率总线或“ DC链路”上，电容器可能会遇到数十安培或数百安培的高压，高温以及高频和低频纹波电流的组合。作为缓冲器，情况可能与高dV / dt电平的额外应力要求低寄生电感相似。在高效谐振转换器中还有一个相对较新的应用，在该谐振转换器中，需要电容器来耦合谐振“储罐”中的满载功率，从而要求高纹波电流额定值，在整个温度范围内的电容稳定性以及宽的DC和AC工作范围。2R损耗会产生散热并可能导致热失控。

在这些应用中，已使用薄膜或什至电解电容器类型来实现所需的高电容值，但组件的物理尺寸较大以最小化ESR。但是，随着开关频率随时间增加，这意味着所需的电容水平成比例降低。这开辟了使用具有高纹波电流额定值和极低ESR特性的多层陶瓷电容器（MLCC）的可能性。

MLCC类型的选择很重要

MLCC分为两类：I类具有CaZrO3电介质，II类使用BaTiO3。在这些类别中，存在具有不同温度稳定性特征的类型。例如，I类中的C0G，NPO，U2J具有良好的稳定性，但单位体积的电容量较低，而II类中的X7R和X5R具有很高的实际电容值，但是，实际电容值会随工作温度，直流偏置和“最后加热后的时间”而变化（老化）。

I类类型通常适用于缓冲器和谐振转换器，例如用于无线充电的设备，其中稳定性和低ESR很重要，但所需的电容值通常较低。II类类型X7R和X5R可用于需要数十甚至数百微法拉的场合，但它们的ESR值可能比I类类型高两个数量级（图1）。

图1：X7R和C0G / U2J MLCC的ESR频率图（来源：KEMET）

II类MLCC的较高ESR值不可避免地导致较高的损耗和温度上升。以KEMET为例，对1812封装类型之间的比较显示，U2J和C0G MLCC的上升温度低于5°C，而X7R封装的上升电流则为40A，两者均以5A rms的纹波电流实现。KEMET的额定温度为150°C的KC-LINKTM[3]的I类类型也比等效的II类MLCC具有更强的稳定性，其断裂模量（MOR）约为2倍。这样就避免了在电容器结构中使用引线框架，从而将等效串联电感（ESL）降至1nH以下。现在，可用的电容值在微法拉范围内，很明显，I类类型是最低损耗的最佳解决方案。

当需要更高的电容值时，可以将I类MLCC并联，而不必占用更多的电路板空间。KEMET KONNEKTTM技术在标准方向或低损耗方向上堆叠1812尺寸的电容器，后一种方式可提供最低的ESR和ESL，从而将损耗降至最低（图2）。例如，它们的U2J 1.4µF组件（三个0.47µF类型的堆栈）在标准方向上的ESR为1.3毫欧，在低损耗方向上的ESR为0.35毫欧，而ESL同样从1.6nH降至0.4nH。

图2：KEMET KONNEKTTM技术在相同的占位面积上增加了标准方向和低损耗方向的电容

有时候，一切都与容量有关

在某些应用中，给定体积中的最大电容是优先事项。例如，当电源中断时，需要在DC总线上进行保持。保持时间为T时所需的电容C，而由电源P加载的总线电压从V1下降到V2的公式为：

C = 2 x P x T /（V12-V22）

例如，对于仅100W的负载和数据中心总线上的10ms保持时间从48V降至36V的情况，所需的C为2000µF。

对于MLCC，所需的许多II类并联零件的占位面积可能会过高，尤其是当它们在额定电压和温度附近工作时，实际电容会显着下降。铝电解电容器会更小，但寿命有限且具有较高的ESR，但现在可以考虑使用的替代品是钽聚合物电容器，其容量比II类MLCC更好，但在施加的电压和温度下稳定，且ESR高于II类MLCC，但仍优于铝电解。[4]。

电感也有损耗

电感器用于滤波器中的功率转换，在滤波器中，电容器像电容器一样，可以看到高连续电流，并且有交流纹波叠加。在使用同步整流的现代AC-DC转换器设计中，纹波电流与DC值在数量级上相当普遍，例如，在数据中心可能为数百安培。AC分量会产生磁滞和涡流磁芯损耗，这些损耗在很大程度上取决于频率和磁芯材料，而DC分量则导致绕组线的电阻耗散。选择具有高饱和磁通密度和低固有交流损耗的铁心材料可减少绕组匝数，从而将总的直流电阻和直流损耗降至最低。金属复合芯，例如METCOM系列[5]KEMET的KEMET是一种受欢迎的选择，具有较低的AC和DC损耗以及在温度和电流范围内具有稳定的电感。

图3：具有模压金属复合芯的低损耗电感器（KEMET METCOM系列）

结论

随着功率转换器效率预期的提高，无源元件中的损耗正变得越来越成问题。但是，可以使用新技术组件，这些组件可以帮助设计人员将其推向理论极限。

编辑：hfy