Новые высоковольтные керамические конденсаторы для силовой электроники

№2 (52), май, 2015
№2
НОВЫЕ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ
КЕРАМИЧЕСКИЕ КОНДЕНСАТОРЫ
ДЛЯ СИЛОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Мод Фабр (Maud Fabre), Eurofarad, Exxelia Group
Перевод: Владимир Рентюк
материал на сайте: 52.16
В статье представлены характеристики и варианты испол- нения новой серии высоковольтных керамических кон- денсаторов, которые были изготовлены с использовани- ем нового диэлектрического материала. Этот диэлектрик позволяет получить аналогичные значения емкости кон- денсаторов при заданном рабочем напряжении, как и при использовании материала X7R. Однако по сравнению с X7R он обладает существенным преимуществом благо- даря присущему этому материалу весьма низкому танген- су угла диэлектрических потерь (tgδ), который составляет менее чем 5 10
–4
. Это делает новые конденсаторы опти- мально подходящими для силовых цепей, в которых вы- деление тепла, вызванное потерями, может привести к снижению надежности и ухудшению общих качествен- ных характеристик.
Вступление
Как известно, основной тенденцией развития современного электронного оборудования является его миниатюризация.
А это, в свою очередь, приводит к необходимости внесе- ния в конструкцию изделия изменений, связанных с повыше- нием внутренней температуры, вызванным паразитным рас- сеиванием мощности. Следовательно, необходимо решать весьма непростые вопросы, связанные с отводом тепла, выделяемого компонентами электрической схемы. Чтобы многослойные керамические конденсаторы смогли соответ- ствовать этим новым требованиям, есть два пути:
1. Создание конденсаторов, способных работать при бо- лее высокой температуре с сохранением уже достиг- нутого уровня надежности. Но это означает, что необ- ходимо полное изменение конструкции и/или замена материалов этих компонентов.
2. Разработка альтернативных компонентов с уменьшен- ными собственными потерями мощности в целях мини- мизации их нагрева. Поскольку такие потери напрямую связаны с тангенсом угла диэлектрических потерь в ке- рамическом диэлектрике, то в этом случае предполага- ется, как вариант, полное изменение только материала керамического диэлектрика.
Этот второй вариант и подтолкнул компанию Exxelia
Eurofarad разработать совершенно новую линейку высоко- вольтных керамических конденсаторов на основе нового диэлектрического материала, который был назван C48.
Технические ограничения
Для изготовления керамических конденсаторов используют- ся, в основном, два типа диэлектриков. Первый тип — NP0- керамика. Основа этого материала — диоксид титана, име- ющий малую диэлектрическую постоянную (ε
r
 100). Такая
Рис. 1. Типовая зависимость изменения собственной емкости
конденсаторов, выполненных на основе NP0-керамики, от тем-
пературы
высоконадежные компоненты

журнал для инженеров и конструкторов габаритных размеров, выпускать конденсаторы емкостью лишь в половину от емкости конденсаторов с диэлектриком типа X7R (рис. 3), что, на первый взгляд, воспринимается, естественно, как некоторое ограничение.
Но у этого диэлектрика есть положительное свойство: он является очень стабильным под воздействием напряжения.
Потеря емкости выполненного на его основе конденсатора по отношению к напряжению постоянного тока составляет всего пару процентов (рис. 4), тогда как для классической керамики типа X7R (2R1) это значение достигает пример- но 60% и более.
Если принять во внимание то значение емкости конденсато- ра, которое осталось под заданным номинальным напряже- нием (фактическое рабочее напряжение), то простой расчет керамика является очень стабильной, и конденсаторы на ее основе характеризуются весьма незначительными из- менениями емкости в условиях воздействий температуры
(рис. 1), напряжения или частоты.
Второй тип — X7R-керамика. Этот материал состоит, в ос- новном, из титаната бария с высокой диэлектрической по- стоянной (1000  ε
r
 5000) и имеет значительно большую зависимость от воздействия температуры, напряжения или частоты. Представление об этом дает рис. 2.
Целью изменения диэлектрика, используемого для изготов- ления новых конденсаторов Eurofarad, была необходимость найти и использовать такой керамический материал, приме- нение которого позволит:
• разработать конденсаторы с такими же характеристи- ками в части емкость/напряжение/объем, как и при ис- пользовании диэлектриков типа X7R;
• добиться меньших потерь, чем это присуще материа- лам типа X7R, т. е. выбрать диэлектрик с tgδ гораздо ниже, чем у материалов типа X7R, для которых обыч- ное значение (для конденсаторов, предназначенных для высоковольтных цепей) значительно превышает
50 10
–4
Таким образом, перед технологами Eurofarad стояла задача получить материал, который сочетал бы в себе наилучшие ди- электрические свойства материалов NP0 и X7R. В итоге вы- бор пал на диэлектрический материал с промежуточным зна- чением диэлектрической постоянной (ε
r около 500), который мог быть использован в условиях большего градиента напря- жения (отношение напряжения к диэлектрической толщине).
Таким образом, емкость конденсаторов, выполненных на его основе, по отношению на единицу объема могла быть совме- стимой с емкостью конденсаторов на единицу объема, вы- полненных на базе диэлектрика типа X7R.
Диэлектрические характеристики и комментарии
Основные характеристики выбранного материала, кото- рый сочетает в себе преимущества диэлектриков типа NP0 и X7R, приведены в таблице 1.
Как можно видеть, диэлектрическая проницаемость рас- сматриваемой керамики меньше, чем у классических X7R- материалов. Это позволяет, при сохранении стандартных
Рис. 2. Типовое изменение емкости конденсаторов, выполнен-
ных на основе X7R-керамики, от температуры
Рис. 3. Сравнение диапазонов емкости конденсаторов с диэлек-
триками типов NP0, X7R и C48, исполненными в одинаковых
типоразмерах
Высоковольтная керамика со средней диэлектрической проницаемостью и низким tgδ
tgδ на частоте 1 кГц, напряжение 1 В
 10 10
–4
Типовой tgδ на частоте 400 Гц, напряжение 1 В
 5 10
-4
Сопротивление изоляции при температуре 20°C и напряжении 500 В
 20 000 MОм или
500 МОм•мкФ
Пробивное напряжение диэлектрика
>1,4 Uр
Диапазон рабочих напряжений от 200 В до 5 кВ
Температурный коэффициент емкости (ТКЕ)
–(2200 ± 500)•10
–6
/°C
Таблица 1. Основные характеристики диэлектрического
материала C48
17

№2 (52), май, 2015
№2
показывает, что реальное значение емкости такого конден- сатора будет соответствовать тому, как если бы в его кон- струкции использовались керамические диэлектрики типов
X7R или 2R1.
Рис. 5. График изменения температуры конденсаторов типа
C48X во всем рабочем диапазоне напряжений на частоте 400 Гц
по сравнению с конденсаторами на основе керамики типа X7R
Кроме того, tgδ нового диэлектрика является весьма низким, обычно он составляет менее 0,05%. При таком уровне соб- ственных потерь тепловыделение при использовании таких конденсаторов уже не имеет столь существенного значения.
При одинаковых значениях емкости конденсаторы новой серии эквивалентны конденсаторам с диэлектриком типа
X7R, но обладают непревзойденным преимуществом — практически отсутствует тепловыделение. Рисунок 5 де- монстрирует эту особенность новых конденсаторов по сравнению с конденсаторами, выполненными на основе ке- рамического материала X7R. Данные приведены на частоте
400 Гц. Как видим, в отличие от конденсаторов с диэлектри- ком типа X7R, температура корпуса конденсаторов C48X не повышается, что, естественно, делает их более надежными.
Рассматриваемая керамика гораздо лучше приспособлена для использования в низкочастотных приложениях (как пра- вило, для частот 50 и 400 Гц), чем материалы типа X7R. Вот почему она сейчас широко используется, например в обору- довании с непосредственным подключением к электриче- ской сети.
Кроме того, этот материал также может выдерживать и очень высокие скорости нарастания напряжения (dV/dt), которые могут достигать значений 10 кВ/мкс (для сравне- ния: типовое значение для классического X7R-диэлектрика составляет 100 В/мкс).
Номенклатура конденсаторов
Конденсаторы Eurofarad с использованием керамического материала типа C48 разработаны на уровни рабочих напря- жений от 200 В до 5 кВ с чипами типоразмеров от 1812 до
16080, что позволяет получить максимальное значение ем- кости таких чип-конденсаторов, равное 10 мкФ, с рабочим напряжением 200 В. В то же время варианты в виде сборок предлагаются с максимальным значением емкости в 47 мкФ с рабочим напряжением 200 В. Принимая во внимание низ- кие собственные потери рассматриваемых конденсаторов, можно сделать вывод о том, что такой продукт будет опти- мально пригодным для использования в решениях, предна- значенных для силовых цепей.
Что касается монтажа этих конденсаторов, то, чтобы обе- спечить их совместимость и с технологией поверхностного монтажа, и с монтажом через сквозные отверстия, предус- мотрен достаточно широкий ряд доступных для примене-
Ольга Синякова, инженер по внедрению департамента пассивных компонентов холдинга PT Electronics, olga.sinyakova@ptelectronics.ru
Немаловажным преимуществом является то, что использование диэлектрика C48X позволяет конден- саторам выдерживать очень высокие скорости нарастания напряжения dV/dt — до 10 кВ/мкс. Это де- лает конденсаторы типа C48X отлично приспособленными для импульсных устройств и приложений, требующих многократных циклов заряда/разряда, а также устройств военного назначения.
КО
М
М
ЕН
Т
А
Р
И
Й
СПЕ
Ц
И
А
Л
И
С
Т
А
Рис. 4. Изменение емкости конденсаторов на основе диэлек-
трика C48 в зависимости от уровня приложенного напряжения
(в процентах относительно рабочего напряжения конденса-
тора)
высоконадежные компоненты

журнал для инженеров и конструкторов ния конфигураций в части конструктивного исполнения (та- блица 2). Все эти версии подходят для использования в оборудовании, работающем в космическом пространстве, и могут быть разработаны так, чтобы избежать риска роста
«усов» олова. В этом случае нельзя использовать припои без содержания как минимум 10% свинца.
Для целей поверхностного монтажа, компоненты могут быть выбраны в исполнении для установки непосредствен- но на плату, что характерно для большинства обычных кон- денсаторов, или (что рекомендуется для конденсаторов больших типоразмеров) использовать конденсаторы с лен- точными выводами (R-версии) либо с выводами типа DIL
(версии P, PL и L). В последнем случае будет поглощаться большая часть термомеханических напряжений, предотвра- щая таким образом образование трещин в керамическом материале конденсаторов.
При необходимости монтажа в отверстия печатной платы могут использоваться конденсаторы с выводами DIL (Dual-
In-Line package — плоский корпус с двусторонним располо- жением выводов, версия N) или с классическими проволоч- ными радиальными выводами, пригодными как для пайки вручную, так и для групповой пайки волной припоя. Для та-
Тип
Выводы/Покрытие
Чип
Ag/Pd , Sn, Sn/Pb, Au
DIL и ленточные выводы
(чипы и составные конденсаторы)
DIL для поверхностного монтажа
Ленточные выводы/лакированные
DIL для монтажа в отверстия/
лакированные
Радиальные выводы луженая медь/лакированные луженая медь/окукленные луженая медь/изолированные
Таблица 2. Различные исполнения конденсаторов, предлагаемых
для серии C48X
Более подробная информация представлена в Приложении 1.
кого монтажа доступны конденсаторы с различными покры- тиями, которые выбираются в зависимости от требуемой степени защиты от воздействия окружающей среды.
Области применения и новые разработки
Компания Eurofarad производит продукцию для основных аэрокосмических и оборонных предприятий, многие из предлагаемых конденсаторов уже используются в ракетной технике, в системах регулирования и управления двигате- лями, устройствах молниезащиты, центральных процессор- ных блоках.
Характеристики материала C48 (кроме зависимости их ем- кости от температуры) достаточно близки по характери- стикам к конденсаторам, выполненным с использованием керамики типа NP0. Так, предполагается, что для тех при- ложений, где стабильность температуры не является ключе- вым параметром, при использовании этой новой керамики емкость конденсаторов NP0 может быть увеличена с ко- эффициентом, равным пяти. Или, если посмотреть с другой стороны, для заданного номинала емкости габариты кон- денсатора могут быть уменьшены в пять раз, что является весьма перспективным для целей миниатюризации прило- жений, в которых ранее использовались конденсаторы с ди- электриком типа NP0.
Еще одним направлением для дальнейшего развития кон- денсаторов типа C48X является разработка изделий для целей космической отрасли. Работы компании Eurofarad ак- тивно направлены на разработку и квалификацию для косми- ческого применения конденсаторов, рассчитанных на более низкие рабочие напряжения и имеющих меньшие габарит- ные размеры. Начало работ ориентировочно запланирова- но на середину 2015 г.
Заключение
Предлагаемая новая серия высоковольтных конденсаторов выпускается с использованием керамического диэлектрика, характеристики которого имеют промежуточное значение между показателями для материалов типа NP0 и X7R (2R1), и является весьма перспективной, например для использо- вания в цепях питания космического оборудования. Опыт применения конденсаторов Eurofarad в военной и аэрокос- мической технике подтверждает, что именно такой вариант конструктивного исполнения может быть очень полезным для использования в этой области.
19

№2 (52), май, 2015
№2
ПРИЛОЖЕНИЕ 1а
Варианты исполнения конденсаторов серии C48X
Чип-конденсаторы и конденсаторы с радиальными выводами
Модель
C479
TCL 479
TCK 479
TCF 479
C480
TCL 480
TCK 480
TCF 480
C481
TCL 481
TCK 481
TCF 481
C482
TCL 482
TCK 482
TCF 482
C483
TCL 483
TCK 483
TCF 483
C484
TCL 484
TCK 484
TCF 484
C485
TCL 485
TCK 485
TCF 485
C487
TCL 487
TCK 487
TCF 487
C488
TCL 488
TCK 488
TCF 488
Типоразмер
1812 2220 2825 3333 4040 5440 6560 11283 16080
L (длина)
4,5 ± 0,5 5,7 ± 0,5 7,0 ± 0,5 8,4 ± 0,5 10,16 ± 1 13,7 ± 1 16,5 ± 1 28,5 ± 1 39,5 ± 1
W (высота)
3,2 ± 0,5 5,0 ± 0,5 6,35 ± 0,5 8,4 ± 0,5 10,16 ± 1 10,16 ± 1 15,2 ± 1 21 ± 1 19,2 ± 1
a
0,6 ± 0,5 0,7 ± 0,5 1 ± 0,5 1 ± 0,5 1,5 ± 0,5 1,5 ± 0,5 1,5 ± 0,5 1,5 ± 0,5 1,5 ± 0,5
T
max
(макс. толщина)
3,5 3,8 4
4 4
4 4
4 4
L
1 max
(макс. длина)
6,5 8
10 10,5 14 17,5 20 31 45
W
1 max
(макс. высота)
6 9
8,9 11,5 14,5 14,5 19 24 23
T
1 max
(макс. толщина)
5 5
5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5 5,5
L
2
± 0,5 (длина)
7,2 8
10,5 13 15 18 20 31 45
W
2
± 0,5 (высота)
5 8
9 12 14 16 19 24 23
T
2 max
(макс. толщина)
5 5
6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5 6,5
X ± 0,5 (межвыводное расстояние)
5,08 5,08 7,62 10,16 12,7 15,24 17,8 27,94 40,64
Ø -0,05 +10%
(диаметр вывода)
0,6 0,6 0,8 0,8 0,8 1
1 1
1
Ø
1
-0,05 +10%
(диаметр вывода)
0,6 0,6 0,8 0,8 0,8 0,8 0,8 1
1
C48x
TCL
TCF
Ǻǹǲ
ǳȈȒȐȘȖȊȈȕȕȣȑ
ǰȏȖȓȐȘȖȊȈȕȕȣȑ
ǶȒțȒȓȍȕȕȣȑȥȗȖȒșȐȌȕȖȑșȔȖȓȖȑ
высоконадежные компоненты