在大功率和大数据的世界中，无源组件也必须高效

现代世界是一个耗电的地方，2020 年的需求预计将超过 30 拍瓦[1]。推动这一数字的备受瞩目的应用是 5G 蜂窝网络、物联网 (IoT)、数据中心的不断扩展以及现在的电动汽车充电。电网上的所有这些负载都通过电源转换器进行路由，将线路交流电转换为终端电路所需的直流电电平。也许令人惊讶的是，工业电机也是能源需求的巨大贡献者，据非政府组织 CLASP [2] 称，占全球总消耗量的 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，这些驱动器在节能的同时改善了功能。

在所有这些应用中，电力转换效率是一个主要问题，每增加一个百分点就代表着运营费用的减少和对环境的影响更小。尽管过去通过半导体技术的进步取得了显着的收益，但由于效率曲线的指数性质，这些收益越来越难以实现。因此，虽然从 99% 到 99.5% 的 0.5% 改进听起来很容易实现，但实际上需要将显示的功率损失减半。现在需要考虑在整个系统中获得收益的方法，而不是完全专注于 IC。虽然之前被忽视，

电容器也会导致功率损耗

在电源转换系统中，电容器最常用作“去耦”以吸收滤波器中的高频纹波电流，降低中间直流总线或输出上的纹波电压，或在“缓冲器”网络中限制半导体上潜在的破坏性瞬态电压。在高功率总线或“直流链路”上，电容器可能会遇到高电压、高温以及数十或数百安培的高频和低频纹波电流的组合。作为缓冲器，条件可能与需要低寄生电感的高 dV/dt 水平的额外压力相似。在高效谐振转换器中还有一个相对较新的应用，其中需要电容器来耦合谐振“槽”中的满负载功率，需要高纹波电流额定值、温度范围内的电容稳定性以及宽直流和交流工作范围。2 R 损耗会导致散热和可能的热失控。

在这些应用中，薄膜或什至电解电容器类型已被用于实现所需的高电容值，但组件的物理尺寸较大以最大限度地降低 ESR。然而，随着开关频率随着时间的推移逐渐上升，这意味着所需的电容水平已成比例地降低。这开辟了采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类使用CaZrO 3电介质，II 类使用 BaTiO 3。在这些类别中，有具有不同温度稳定性特性的类型；例如，I 类中的 C0G、NPO、U2J 具有良好的稳定性，但单位体积的电容较低，而 II 类中的 X7R 和 X5R 具有很高的实际电容值，但会随工作温度、直流偏置和“最后一次加热后的时间”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，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 随频率变化的 ESR 图（来源：KEMET）

II 类 MLCC 的更高 ESR 值不可避免地导致更高的损耗和温升。例如来自 KEMET 的 1812 封装类型之间的比较显示，U2J 和 C0G MLCC 的上升不到 5°C，而 X7R 型上升 40°C，均在 5A rms 纹波电流下。来自 KEMET 的额定 150°C KC-LINK TM [3]范围内的I 类类型也比具有大约 2 倍断裂模量 (MOR) 的等效 II 类 MLCC 更坚固。这避免了在电容器结构中需要引线框架，从而将等效串联电感 (ESL) 降低到 1nH 以下。由于电容值现在在微法拉范围内，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，I 类 MLCC 可以并联，而不必消耗更多的电路板空间；KEMET KONNEKT TM技术以标准方向或低损耗方向堆叠 1812 尺寸电容器，后一种排列提供最低的 ESR 和 ESL，以实现最小的损耗（图 2）。例如，他们的 U2J 1.4µF 组件，由三个 0.47µF 类型堆叠而成，标准方向的 ESR 为 1.3 毫欧，低损耗方向的 ESR 为 0.35 毫欧，ESL 同样从 1.6nH 降低到 0.4nH。

图 2：KEMET KONNEKT TM技术在相同尺寸的标准和低损耗方向上增加了电容

有时一切都与容量有关

在某些应用中，给定体积内的最大电容是优先事项。一个例子是当电源出现故障时需要在直流总线上保持。所需的电容C，保持时间T，而总线电压从V1下降到V2由功率 P 加载由下式给出：

C = 2 x P x T/(V1 2 -V2 2 )

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

对于 MLCC，所需的许多 II 类并联部件的占用空间可能会令人望而却步，尤其是当它们在实际电容显着下降的额定电压和温度附近运行时。铝电解电容器会更小但寿命有限且 ESR 高，但现在可以考虑的替代方案是钽聚合物电容器，它的体积容量比 II 类 MLCC 好得多，但在施加的电压和温度下稳定，ESR 高于II 类 MLCC，但仍优于铝电解液。[4]。

电感也有损耗

电感器用于滤波器中的功率转换，与电容器一样，它们可以看到叠加有交流纹波的高连续电流。在使用同步整流的现代 AC-DC 转换器设计中，纹波电流与 DC 值处于同一数量级是很常见的，例如，在数据中心可能是数百安培。AC 分量会产生磁滞和涡流磁芯损耗，这在很大程度上取决于频率和磁芯材料，而 DC 分量会导致绕组线电阻的耗散。选择具有高饱和磁通密度和低固有交流损耗的磁芯材料可以减少绕组匝数，从而最大限度地减少总直流电阻和直流损耗。金属复合材料核心，如 METCOM 系列[5]KEMET 是一种流行的选择，具有低 AC 和 DC 损耗以及在温度和电流范围内的稳定电感。

图 3：具有模制金属复合磁芯的低损耗电感器（KEMET METCOM 系列）

结论

随着电源转换器效率预期的提高，无源元件的损耗变得越来越成问题。然而，可以使用新技术组件，这有助于设计人员更接近理论极限。

审核编辑 黄昊宇