高、中壓低損耗疊層陶瓷電容，是汽車 OBC、無線電力傳輸和伺服器電源的理想選擇：LC 和 LLC 諧振電路中的應用

1.大功率應用電源供應系統的市場趨勢

近年來，諧振電路的使用越來越多。

在 100W 或以上的高效率電源供應器中，例如 EV 和 PHV（電動車和插電式混合動力車）的車用 OBC、伺服器電源供應器和大型設備的電源供應器，LLC 諧振電路已被廣泛採用。據估計，其採用率超過 90%。此外，在無線電力傳輸 (WPT) 中，LC 諧振電路用於傳輸和接收大量電力。支援 WPT 的產品已從智慧型手機和平板電腦等小型裝置，擴展到汽車和製造過程中使用的運輸機器人等大型產品。

隨著各種類型的諧振電路 (例如 LC 和 LLC 諧振) 越來越普遍，對於可提供 10nF 以上穩定電容值以及低損耗性能的諧振電容 (諧振電路中使用的電容) 的需求也越來越大。傳統上，薄膜電容是唯一的選擇；然而，由於多層陶瓷電容具有多種優點，現在已成為主流。具體而言，多層陶瓷電容是需要高功率密度的諧振電路的首選。

本技術文章將解釋使用多層陶瓷電容作為諧振電容的優點，同時提供對其特性、有效利用的要點、選擇考量以及推薦產品陣容的深入瞭解。

2.高功率諧振電路中對諧振電容的主要要求

2.1 在高外加電壓的諧振電路情況下

例如，在處理高電流的產品（如汽車 WPT）中使用的諧振電路中，施加在電容上的電壓（V(p-p)）可能相當高，從幾百伏 (p-p) 到 10,000 伏 (p-p)，某些情況下甚至可高達 10,000 V(p-p)。由於多層陶瓷電容的額定電壓為 630 Vdc 或 1000 Vdc，因此有必要串聯電容，以確保在高電壓下工作時，此 V(p-p) 仍在額定電壓限制之內。

當電容器串聯時，其有效電容會降低；因此需要並聯才能達到所需的電容。因此，諧振電容常用於多種串聯和並聯配置，從而帶來了對更小尺寸產品的需求。

2.2 在高共振頻率的共振電路中

在汽車市場，根據國際標準，汽車 WPT 的共振頻率固定為 85 kHz。然而，對於 EV 和 PHV OBC，諧振頻率則因製造商而異，從 60 kHz 到 400 kHz 不等。在這些應用中，高頻高壓施加到電容上，可能會導致電容自熱增加。

因此，諧振電容需要具有較低的損耗特性，並在長期使用過程中將自熱的上升降至最低。

2.3 與薄膜電容器相比，多層陶瓷電容器的特性

多層陶瓷電容的特性
・ 安裝面積（體積）小
低發熱（低 ESR）
低 ESL
優異的長期可靠性
高最高工作溫度

與薄膜電容相比，多層陶瓷電容具有較高的最高工作溫度和較低的發熱量，因此具有優越的長期可靠性。此外，在電容相同的情況下，它們的特點是體積更小，ESL 更低。由於這些特性，多層陶瓷電容被廣泛用作大功率諧振電路中的諧振電容。

3.介紹一種中高電壓、低損耗的多層陶瓷電容，建議用作諧振電容

如上所述，高功率諧振電路需要低損耗、低自熱的諧振電容，例如汽車用的 WPT 以及 EV 和 PHV 用的 OBC。為了滿足這樣的諧振電容需求，村田提供了一系列額定電壓為 630 Vdc 和 1000 Vdc 且使用低損耗材料的中高電壓多層陶瓷電容。

常見的產品形式有兩種：標準晶片型和帶金屬端子的晶片型（見表 1）。金屬端子類型可堆疊大尺寸晶片 (5750M 尺寸)，不僅可減少安裝面積，也有助於降低汽車市場所擔心的「焊接裂縫」風險。

車用 OBC、伺服器電源供應器以及採用諧振電路的大型設備電源供應器等大型產品，由於使用時間較長，因此需要電容器具有長期的可靠性。對於這些多層陶瓷電容，在連續使用的基礎上設定了 10 年的目標壽命。

4.選擇多層陶瓷電容器作為諧振電容器時的限制

包括上述介紹的產品，在選擇用於諧振電路的電容（諧振電容）時，有一些重要的注意事項。在大功率應用中，不當選擇諧振電容可能會導致設備發生冒煙或起火事故。多層陶瓷電容也是如此，它具有低發熱量和長期可靠性的特性；因此，在選擇時必須仔細考慮其特性。

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「電壓降額曲線」。

4.1 自加熱造成的限制

在大功率應用中使用的諧振電容，在施加電壓時立即產生的初始加熱之後，會出現自熱增加的現象。雖然多層陶瓷電容的自熱增加是不可避免的，但應避免在目標壽命 (例如 10 年) 內，電壓和頻率條件超過 125°C 的最高工作溫度 (見圖 1)。

Murata 的多層陶瓷電容將允許電壓 Vdc 定義為電容表面溫度在目標壽命內達到 125°C 最高工作溫度時的電壓。在選擇電容時，應用電壓 V(p-p) 必須保持在此容許電壓範圍內。

我們提供每項產品的「電壓降額曲線」（見圖 2），依據頻率顯示允許的電壓，並詳列於產品規格表和我們網站的規格表中。

4.2 由於容許電壓的限制

這是我們對容許電壓與頻率關係的看法。圖 2 所示的「電壓降額曲線」概括了每個項目的允許電壓圖集，根據頻率範圍可分為三個區域。

區域 1：頻率範圍 - 低於幾 10 kHz：由於額定電壓的限制

由於頻率很低，只有數 10 kHz 或更低，因此電容器的自我加熱很小，額定電壓也成為允許電壓。然而，設計用於中高電壓低損耗的多層陶瓷電容在此低頻率範圍內作為諧振電容使用的案例非常罕見。

區域 2：頻率範圍 - 數 10 kHz 至數 100 kHz：連續溫度升高所造成的限制

緊接著施加電壓後的自加熱在 20 度* ¹的 ΔT 範圍內，但由於高電壓施加的範圍從數個 10 kHz 到數個 100 kHz，此區域的自加熱會呈現增加。在此區域，允許電壓的定義為電容表面溫度達到目標壽命 (在此介紹的產品中，目標壽命為 10 年) 的最高工作溫度 125°C 時的電壓。設計用於中高電壓低損耗的多層陶瓷電容用作諧振電容的大多數情況都屬於此區域。

*1 我們要求，無論是低損耗、高介電常數的片式電容，其工作條件都要確保電容的自熱保持在 20 度的ΔT 以內。

區域 3：頻率範圍 - 高於數百 kHz：電壓應用後立即發熱所造成的限制

當頻率進一步增加時，電容在施加電壓後的自熱會立即超過 20 度的ΔT。如前所述，我們要求無論是低損耗或高介電常數的片式電容，其操作條件都必須確保電容的自加熱保持在 20 度的ΔT 以內。對於中高電壓低損耗多層陶瓷電容，允許電壓被定義為自熱達到 20 度 ΔT 時的電壓；因此，有必要選擇使其溫度保持在此臨界值以下的產品。

5. Changes in Rated Voltage Due to Heat Dissipation Conditions

In automotive OBCs, server power supplies, and power supplies for large-scale equipment that use resonant capacitors, heat dissipation measures are often implemented to suppress heat generation in the resonant circuit. With these heat dissipation measures in mind, we evaluated the heat generation and rated voltage of multilayer ceramic capacitors under varying heat dissipation conditions. The evaluation was conducted under the following three heat dissipation conditions:
(1) Standard conditions: Multilayer ceramic capacitors mounted on a single-layer PCB
(2) Multilayer ceramic capacitors mounted on a high-thermal-conductivity PCB, with TIM (Thermal Interface Material) interposed and a water-cooling unit connected (water-cooling unit not in operation)
(3) The water-cooling unit operating under the conditions described in (2)
Heat dissipation performance increases in the order of (1) → (2) → (3).

Figure 4 shows the measurement results of the changes in the capacitor surface temperature when the heat dissipation conditions described above were altered.
These measurement results indicate that the higher the heat dissipation performance, the more the rise in capacitor surface temperature is suppressed.

By establishing a voltage rating curve based on this rise in capacitor surface temperature, we obtain the voltage rating curves shown in Figure 5 for the various heat dissipation conditions.
These results indicate that the higher the heat dissipation performance, the higher the voltage rating.
Consequently, higher heat dissipation performance makes it possible to reduce the number of resonant capacitors used in multi-series and multi-parallel configurations.

6. Introduction to the Selection Tool for Resonant Capacitors: SimSurfing

正如目前所解釋的，選擇諧振電容需要考慮各種特性，這增加了元件選擇的難度。在汽車 OBC、伺服器電源供應器和大型設備電源供應器等快速成長的領域中，這可能是使技術進步變得複雜的因素。特別可以強調兩點。

• 由於外加電壓較高的趨勢，通常會使用多個串聯和平行連接，因此必須計算等效電容。
• 有必要使單個電容的外加電壓 V(p-p) 低於 「額定電壓」。

Murata 已開發出一種名為「Simsurfing」的工具，可協助客戶選擇最適合其運作環境的諧振電容。只需輸入諧振電容的工作電壓、溫度和所需電容，該工具便會顯示最佳產品以及建議的串聯和並聯連接數。此工具有助於減輕客戶在零件選擇和設計過程中的負擔。

設計支援軟體 SimSurfing 可在此找到。

7. Search for recommended medium to high voltage low loss multilayer ceramic capacitors for resonant capacitors!

​點選此處搜尋貼片電容器類型產品。
​點選此處搜尋金屬端子類型的產品。

*文章內容以發佈時的資訊為基礎。請注意，可能與最新資訊有所差異。

相關產品

電容

陶瓷電容

相關文章

• 晶片式 NTC 熱敏電阻支援 5G 裝置溫度監控
• 陀螺儀感測器解決方案可在幾分鐘內顯示偵測精確度
• 中等外殼尺寸橋樑 Murata 的 MLCC 微型化之路