Správný výběr MLCC z hlediska elektrického průrazu

Není tajemstvím, že v moderním světě se kondenzátory používají hlavně ve dvou hlavních účelech: filtrování a blokování. Hlavním cílem filtračního kondenzátoru je odvést nežádoucí AC složku tak, aby neovlivnila připojený obvod. Tedy  účelem blokovacích kondenzátorů je zajistit místní zdroj DC energií pro aktivní součástky, aby se omezil šum od rychlého spínání [1]. Tento článek se zabývá zejména náchylností MLCC (Vícevrstvé keramické kondenzátory) k různým druhům průrazů.

Konstrukce MLCC a druhy průrazů

Nejprve popíšeme konstrukci MLCC a představíme strukturální parametry, které určují odolnost proti elektrickému průrazu. Existuje 3 typy mechanismu průrazu: dielektrický, elektrotepelný a elektromechanický.

MLCC obsahuje několik vrstev nehořlavých vrstvených keramických fólií, na kterých je natištěn elektrodový materiál. Tyto fólie jsou lisované a slinuté pro získání kompaktní vícevrstvé struktury. MLCC s daným jmenovitým napětím mají související minimální tloušťku dielektrika. Tloušťka dielektrika je největší u vysokonapěťových produktů a může být také větší u nízkokapacitních MLCC.

Obr. 1  Konstrukce vícevrstvého keramického kondenzátoru [2]

Dielektrický průraz

MLCC může vykazovat dielektrický průraz při velmi silné intenzitě pole. Komponenta může odejit kvůli omezené vnitřní dielektrické pevnosti keramického materiálu. Je to dané sice kvalitou keramického dielektrického materiálu, ale i tloušťkou a plochou dielektrika.

U skutečných konstrukcí MLCC neexistuje jednoduchý vztah mezi dielektrickým průrazem a kapacitou. Při nižších kapacitách, větší tloušťce dielektrika celkový efektivní kapacitní povrch může mít opačné účinky na dielektrické průrazné napětí.

Elektromechanický průraz

Když jsou piezoelektrické materiály vystavené elektrickému poli, dochází k jejich deformaci. Toto se stalo známým jako inverzní piezoelektrický jev. Při rychlých změnách pole, tj. při vysokém dV/dt, namáhání mohou překročit kritickou prahovou hodnotu a vést k elektromechanickému průrazu.

V MLCC s keramickým materiálem typu NP0 nedochází k elektromechanickému průrazu v důsledku feroelektrických vlastností keramického materiálu.

Vyhnout se zbytečným výpočtům a testům jde použitím speciálních tzv. Flexible Termination MLCCs. Třeba řada od Kemet HV FT-CAP nebo Holystone Super Term. Tyto kondenzátory mají speciální polymerní vrstvu na koncovkách kondenzátoru, která absorbuje mechanické šoky při přepětí a zvyšuje životnost posledního.

Obr. 2  Vnitřní struktura Holystone Super Term [3]

Elektrotepelný průraz

Vysoké místní teploty způsobené ztrátou energie mohou způsobit elektrotepelný průraz. Důležitým faktorem je zde okolní teplota. Kromě toho je elektrotepelný průraz ovlivněn teplem generovaným uvnitř MLCC a tepelným tokem do jeho okolí. Teplo generované uvnitř MLCC závisí na disipačním faktoru (který je funkcí teploty, frekvence, napětí a konstrukce), na amplitudě napětí, vztahu napětí-čas a kapacitě.

Zvláštní typ elektrotepelného průrazu může nastat, když rozdíl napětí mezi koncovkami je dostatečně vysoký, aby způsobil vzduchové výboje (koróna). Tyto výboje na vnějším povrchu MLCC mohou vést k vysokým lokálním proudům, které ničí oblasti v samotném MLCC. V takovém případě se doporučuje používání specializovaných vysokonapěťových MLCC s antikorónovým povrchem.

Výkonové ztráty

Obecná rovnice pro ztrátový výkon při namáhání MLCC střídavými poli je

P = ωCV²_RMStanδ

Z rovnice vyplývá, že nárůst teploty MLCC způsobený střídavým napětím V při dané frekvenci bude teoreticky úměrný V²_RMS. To bylo zjištěno pro MLCC typu NP0, nikoli pro MLCC typu X7R nebo Y5V, ve kterých tanδ je funkcí nejen frekvence, ale také použitého napětí a teploty.

Maximální výkonová hodnota různých druhů kondenzátorů je uvedená v tabulce 1.

Úroveň imunity MLCC proti surge impulsům

Surge impulsy jsou vysokoenergetické impulsy způsobené spínáním indukčních nebo kapacitních zátěží a nejčastěji bleskem. Standardizovaný puls je takzvaný rázový puls 1,2/50 µs podle IEC 1000-4-5.

Na obrázku 3 je vidět závislost hodnoty kapacity kondenzátoru na velikosti přiloženého napětí. Hodnoty kondenzátorů jsou pouze orientační a slouží jenom pro předběžný výpočet designu, protože spousta věcí záleží na layoutu a rozmístění komponent na desce plošných spojů. Návrhu tepelných cest, které vycházejí z kondenzátorů, je třeba věnovat zvláštní pozornost. Pokud kondenzátor nedokáže odstranit veškerou tepelnou energii po surge pulsu, hrozí mu elektrotepelný průraz.

Obr. 3  Okamžité průrazné špičkové napětí jako funkce kapacity pro kondenzátory typu NP0 a X7R ošetřené surge impulsy 1,2/50 µs [2]

Literatura:

[1] Výběr součástek při návrhu desky s ohledem na EMC. DPS 4/2015 https://www.dps-az.cz/vyvoj/id:27484/vyber-soucastek-pri-navrhu-desky-s-ohledem-na-emc

[2] DC, AC and Pulse Load of Multilayer Ceramic Capacitors, http://www.compel.ru/wordpress/wp-content/uploads/2014/01/DC-AC-and-Pulse-Load-of-Multilayer-Ceramic-Capacitors.-YAGEO-2002.pdf

[3] Holy Stone Soft Termination MLCC, https://www.holystone.com.tw/product_applaction_2.php?&mlevel1=15&DetailId=QD48PyomJTIxQCgrIyVeKw==

[4] Energy and Power Handling Capabilities of Thin Film and Ceramic Capacitors, https://www.avx.com/docs/techinfo/RFMicrowaveThinFilm/energytf.pdf