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Utiliser des condensateurs en céramique pour optimiser la densité de puissance et le rendement de conversion

Par Majeed Ahmad

Avec la contribution de Rédacteurs nord-américains de Digi-Key

Des serveurs de données pour l'Internet des objets (IoT) aux véhicules électriques, les concepteurs de systèmes d'alimentation restent sous une pression constante pour atteindre une densité de puissance et un rendement de conversion supérieurs. Bien que l'accent ait été mis sur les dispositifs de commutation à semi-conducteurs pour réaliser ces améliorations, les caractéristiques inhérentes aux condensateurs céramique multicouches (MLCC) signifient qu'ils peuvent également jouer un rôle important pour aider les concepteurs à répondre à leurs exigences de conception. Ces caractéristiques incluent de faibles pertes, des capacités de haute tenue en courant ondulé et en tension, une capacité de résistance haute tension et une haute stabilité sur des températures de fonctionnement extrêmes.

Cet article décrit la construction des condensateurs MLCC et la manière dont les condensateurs en céramique dynamisent la tenue en puissance sur les rails CC et CA, tout en complétant les semi-conducteurs à commutation rapide. Il fait également la lumière sur les diélectriques de classe I et de classe II et sur la manière dont ils permettent aux MLCC miniatures de servir les systèmes d'alimentation tels que les convertisseurs résonants et d'amortissement.

Construction des condensateurs MLCC

Les MLCC sont des dispositifs monolithiques construits à partir de couches alternées de diélectrique céramique et d'électrodes métalliques (Figure 1). Les couches laminées dans les MLCC sont construites à hautes températures pour produire un dispositif capacitif fritté et volumétriquement efficace. Ensuite, un système de barrière de terminaison conductrice est intégré aux extrémités exposées du dispositif pour compléter la connexion.

Image des diélectriques céramique classés selon la stabilité thermique et la constante diélectriqueFigure 1 : Les diélectriques en céramique sont classés selon la stabilité thermique et la constante diélectrique. (Source de l'image : KEMET)

Les condensateurs en céramique, ces dispositifs non polaires qui offrent un plus haut rendement volumétrique, peuvent fournir une capacité plus élevée dans des boîtiers plus compacts. En outre, ils sont plus fiables lors d'opérations haute fréquence. Cela permet aux MLCC de fournir la bonne combinaison de diélectrique, de système de terminaison, de facteur de forme et de blindage.

Néanmoins, plusieurs questions exigent une diligence raisonnable de la part des concepteurs lors du choix des condensateurs céramique pour les applications à haute densité de puissance. Pour commencer, la capacité peut être affectée par la température de fonctionnement, la polarisation continue appliquée et le temps après le dernier cycle thermique. Le temps après le dernier cycle thermique, par exemple, peut provoquer un décalage de la capacité, ce qui entraîne le vieillissement du condensateur (Figure 2).

Code EIA PME (électrodes en métal précieux)
BME (électrodes en métal de base)
Vieillissement typique (%/décade heure) Temps de référence typique (heures)
C0G PME/BME 0 N/A
X7R BME 2,0 1000
X5R BME 5,0 48

Figure 2 : Taux de vieillissement en pourcentage de capacité sur le temps. (Source de l'image : KEMET)

Plus important encore, les ondulations générées par les dispositifs à semi-conducteurs IGBT ou MOSFET à commutation rapide peuvent affecter les performances car chaque condensateur a une certaine impédance et une inductance propre. Il est donc impératif que les condensateurs limitent les fluctuations car des dispositifs comme les onduleurs demandent sporadiquement de forts courants, ce qui exige une haute tolérance au courant ondulé.

La résistance série équivalente (ESR) du condensateur est également une caractéristique essentielle qui représente la résistance interne totale telle que spécifiée à une fréquence et une température données. En minimisant l'ESR, un concepteur réduit les pertes de puissance dues à la génération de chaleur.

Une faible inductance série équivalente (ESL) augmente la plage de fréquences de fonctionnement et permet une miniaturisation accrue des condensateurs en céramique. Ensemble, une faible ESR et une faible ESL augmentent la tenue en puissance d'un condensateur et minimisent les parasites du dispositif. De plus, elles contribuent à réduire les pertes, ce qui permet aux condensateurs de fonctionner à des niveaux de courant ondulé élevés.

Le choix du matériau diélectrique constitue une autre considération critique de conception. Il détermine le changement de capacité en fonction de la température (Figure 3). Alors que les matériaux diélectriques de classe I tels que C0G et U2J offrent des diélectriques plus stables en température, ils ont une constante diélectrique (K) plus faible. Les matériaux de classe II comme X7R et X5R présentent une stabilité ainsi qu'une valeur K de milieu de gamme tout en offrant des valeurs de capacité beaucoup plus élevées.

Graphique des matériaux diélectriques de classe I et de classe IIFigure 3 : Les matériaux diélectriques de classe I et de classe II diffèrent principalement en termes de variation de la capacité sur une température spécifique. (Source de l'image : KEMET)

Cependant, pour les systèmes d'alimentation à commutation rapide, plus la fréquence de fonctionnement est élevée, plus la capacité requise pour fournir l'alimentation est faible. Cela permet aux condensateurs en céramique à faible valeur K de remplacer les condensateurs à film haute capacité volumineux, améliorant considérablement la densité de puissance. Ces condensateurs en céramique ont des empreintes plus petites, ce qui permet de les monter plus près des semi-conducteurs à commutation rapide, et ils requièrent un refroidissement minimal dans les applications à haute densité de puissance.

MLCC à diélectriques de classe I

Les condensateurs KC-LINK de KEMET tels que le CKC33C224KCGACAUTO (0,22 microfarad (µF), 500 V), le CKC33C224JCGACAUTO (0,22 µF, 500 V) et le CKC18C153JDGACAUTO (15 nanofarads (nF), 1000 V) sont des exemples de classe 1. Ils utilisent un matériau diélectrique en zirconate de calcium de classe 1 qui facilite un fonctionnement extrêmement stable sans perte de capacité due à la fréquence de commutation, la tension appliquée ou la température ambiante. Le matériau diélectrique en zirconate de calcium à faibles pertes minimise également les effets du vieillissement car il n'y a pas de décalage de capacité dans le temps.

Les condensateurs KC-LINK utilisent la technologie de diélectrique C0G pour atteindre une très faible ESR et la capacité de gérer un courant ondulé très élevé qui est nécessaire pour les conceptions à haute densité de puissance. La grande robustesse mécanique permet de monter ces condensateurs céramique de classe I sans utiliser de grilles de connexion, ce qui contribue également à une ESL extrêmement faible.

Ces condensateurs céramique peuvent fonctionner à de très forts courants ondulés sans changement de capacité par rapport à la tension CC et avec un changement négligeable de capacité par rapport à la température de fonctionnement de -55°C à +150°C. Ils sont disponibles avec des valeurs de capacité de 4,7 nF à 220 nF, et des tensions nominales de 500 V à 1700 V (Figure 4).

Graphique des condensateurs céramique KC-LINK de KEMET pouvant être placés plus près des semi-conducteurs à commutation rapideFigure 4 : Avec une température de fonctionnement de 150°C, les condensateurs céramique KC-LINK peuvent être placés plus près des semi-conducteurs à commutation rapide dans les applications à haute densité de puissance exigeant un refroidissement minimal. (Source de l'image : KEMET)

Il convient de noter que les condensateurs KC-LINK, qui sont basés sur un matériau diélectrique de classe 1, offrent une capacité sur puce inférieure à celle des condensateurs de classe 2 de taille équivalente. Ainsi, si une capacité plus importante est requise, plusieurs condensateurs KC-LINK peuvent être liés ensemble dans une structure monolithique unique pour créer un ensemble à plus haute densité.

Le résultat de cette consolidation de condensateurs est une solution à faible bruit similaire au KC-LINK mais avec une capacité jusqu'à 125 % plus élevée. Les condensateurs à montage en surface KONNEKT de KEMET, également basés sur un matériau diélectrique de classe I, fournissent des valeurs de capacité plus élevées s'étendant de 100 picofarads (pF) à 0,47 µF. Ils conservent plus de 99 % de leur capacité nominale aux tensions nominales et ils sont bien adaptés aux applications critiques en termes de temps et aux applications soumises à des cycles de température et à la flexion de cartes.

Superposition des MLCC pour une capacité supérieure

Les condensateurs céramique KONNEKT, y compris les dispositifs C1812C145J5JLC7805, C1812C944J5JLC7800 et C1812C944J5JLC7805, sont créés en empilant verticalement ou horizontalement deux à quatre condensateurs céramique tout en conservant l'intégrité du dispositif. Le condensateur céramique C1812C944J5JLC7800 offre une capacité de 0,94 µF en empilant deux dispositifs, tandis que le condensateur céramique C1812C145J5JLC7805 porte la valeur de capacité à 1,4 µF avec trois dispositifs empilés.

Ces MLCC utilisent un matériau de frittage en phase liquide transitoire (TLPS) pour relier les terminaisons des composants entre elles et créer ainsi une solution multipuce sans sorties. La solution multipuce sans sorties rend le condensateur compatible avec les processus de refusion existants. Le TLPS, une liaison composite à matrice métallique faite de cuivre-étain, est utilisé en remplacement de la soudure. Il forme une liaison métallurgique entre deux surfaces, ici, les couches U2J.

Le fait que les condensateurs puissent être intégrés dans les deux orientations réduit l'empreinte des composants et maximise la capacité totale d'un dispositif MLCC empilé (Figure 5), permettant aux condensateurs céramique KONNEKT d'atteindre la plage de capacité qui n'était auparavant possible qu'avec des matériaux diélectriques de classe II tels que X5R et X7R.

Image des MLCC empilés pour augmenter la capacitéFigure 5 : Les MLCC peuvent être empilés pour augmenter la capacité, et placés dans une orientation à faible perte pour réduire l'ESR et l'ESL. (Source de l'image : KEMET)

Dans une orientation à faible perte, moins d'énergie électrique est convertie en chaleur, ce qui améliore le rendement énergétique et renforce davantage les capacités de tenue en puissance d'un condensateur. L'orientation à faible perte permet également de réduire l'ESR et l'ESL et donc d'augmenter la tenue en courants ondulés d'un condensateur céramique.

L'utilisation du matériau TLPS, combinée à un diélectrique ultra-stable, permet aux condensateurs céramique de supporter des courants ondulés extrêmement élevés de l'ordre de centaines de kilohertz. Par exemple, avec le condensateur KONNEKT U2J 1,4 μF C1812C145J5JLC7805, l'ESL est de 1,6 nanohenry (nH) lorsqu'il est monté en orientation standard, mais elle se réduit à 0,4 nH en orientation à faible perte. De même, en orientation à faible perte, l'ESR est réduite de 1,3 milliohm (mΩ) à 0,35 mΩ, ce qui diminue les pertes du système et limite la hausse de température.

Les condensateurs à montage en surface KONNEKT U2J de KEMET limitent leur variation de capacité à –750 ±120 parties par million (ppm)/°C pour des températures allant de -55°C à +125°C. Cela permet au condensateur céramique U2J de présenter un décalage négligeable de la capacité par rapport à la tension CC, et un changement linéaire prévisible de la capacité par rapport à la température ambiante.

Condensateurs céramique de ligne CA

Les condensateurs céramique mentionnés dans les sections ci-dessus stabilisent et lissent la tension et le courant sur les rails CC et empêchent ainsi les pointes de découplage provoquées par la commutation rapide. Cependant, les condensateurs céramique sont également utilisés dans le filtrage de ligne CA, les convertisseurs CA/CC et les circuits de correction du facteur de puissance (PFC).

Ici, il est important de noter que les condensateurs céramique de ligne CA sont disponibles en formats répertoriés et non répertoriés en termes de sécurité. Alors que les condensateurs de sécurité suppriment le bruit électrique et protègent les conceptions contre les surtensions et les transitoires, des niveaux capacité/tension (CV) plus élevés ne sont pas disponibles dans ces MLCC certifiés pour la sécurité.

Les condensateurs céramique CA non répertoriés pour la sécurité, disponibles dans une variété de tailles et de valeurs CV, peuvent être utilisés en continu dans des conditions de ligne CA. Les condensateurs céramique série CAN de KEMET sont qualifiés pour des conditions de ligne CA de 250 VCA à des fréquences de lignes de 50/60 Hz et d'autres applications non liées à la sécurité.

Image des condensateurs de ligne CA série CAN de KEMETFigure 6 : Les condensateurs de ligne CA série CAN offrent un faible courant de fuite et une faible ESR à plus hautes fréquences. (Source de l'image : KEMET)

Les condensateurs de ligne CA offrent un faible courant de fuite et une faible ESR à hautes fréquences (Figure 6). Ils répondent à la fois aux applications ligne-à-ligne (classe X) et ligne-à-terre (classe Y) et satisfont aux critères d'impulsion définis dans la norme CEI 60384.

Les condensateurs céramique série CAN sont disponibles en diélectriques X7R et C0G. Le diélectrique C0G, comme illustré dans le cas des condensateurs de liaison CC, ne présente aucune variation de capacité en fonction du temps et de la tension, et seulement une variation négligeable de la capacité en fonction de la température ambiante. D'autre part, dans les condensateurs céramique tels que le CAN12X153KARAC7800 et le CAN12X223KARAC7800, le diélectrique X7R présente une variation prévisible de la capacité en fonction du temps et de la tension, et une variation minimale de la capacité due à la température ambiante.

Le condensateur céramique CAN12X153KARAC7800 offre une valeur de capacité de 0,015 µF, tandis que le CAN12X223KARAC7800 présente une capacité de 0,022 µF. Ces deux dispositifs MLCC offrent une tolérance de 10 %.

Conclusion

Alors que les systèmes de distribution d'alimentation continuent de se miniaturiser et d'embarquer plus de puissance dans des facteurs de forme plus compacts, les condensateurs MLCC jouent un rôle crucial dans les conceptions s'étendant des alimentations de serveurs aux chargeurs sans fil et aux onduleurs. Ils lissent la tension CC et CA, stabilisent les courants ondulés et garantissent la gestion thermique dans les conceptions d'alimentation cherchant à améliorer le rendement de conversion. Comme illustré ici, le choix de diélectriques de classe I et de classe II fournit des MLCC permettant d'adapter la capacité et d'autres paramètres critiques tels que l'ESR et l'ESL aux besoins spécifiques de l'application.

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À propos de l'auteur

Majeed Ahmad

Majeed Ahmad est ingénieur électronicien et affiche plus de 20 ans d'expérience en médias technologiques B2B. Il est l'ancien rédacteur en chef d'EE Times Asia, une publication d'EE Times.

Majeed a écrit six livres sur l'électronique. Il contribue aussi fréquemment à des publications de conception électronique, notamment All About Circuits, Electronic Products et Embedded Computing Design.

À propos de l'éditeur

Rédacteurs nord-américains de Digi-Key