【经验】解析多层陶瓷电容器的容值与电压的变化关系

时间： 2022-03-14 来源：Knowles

技术问答

工程师做电路设计时需要确保每个元件都能按照说明书所述的顺利运行。设计多层陶瓷电容器（MLCC）时，工程师经常关注的一个问题是容值是否会随着电压的变化而波动——又称 "直流偏压 "或 "电压系数"。本文KNOWLES主要解析多层陶瓷电容器的容值与电压的变化关系，以及介绍新型电介质材料Hiteca™。

众所周知，X5R和X7R电容器都会用到钛酸钡，而钛酸钡等铁电材料会导致电压的波动。电容器容值的损失会因电介质材料和使用的电压类型（直流或交流）的不同而产生很大差异。如果在设计电容器时没有考虑到这一点，就会出现问题，因为某些材料和电压的组合甚至可能导致电容器在施加电压时损失超过70%的额定容值。

一般来说，这种现象被认为是使用电介质材料的一个负面影响。然而，并非所有的MLCC材料都是一样的，这意味着不同的材料有不同的表现。因此，全方位考量电容器应用环境的各项因素并了解哪种类型的材料最为适合就十分重要了。

陶瓷电容器之材料比对

近年来，与MLCC相关的材料科学领域取得了长足的进展。除了典型的钛酸钡之外，现在还可选用PLZT和SBFT这两种材料——前者是一种锆酸铅陶瓷，后者是楼氏电容以Hiteca™命名的锶铋钛酸铁陶瓷。与II类铁电材料不同，PLZT是一种反铁电配方，其介电常数在低直流偏压下会降低而在额定工作电压下会达到峰值。

Hiteca™是一种低损耗、相对稳定的II类电介质，在最大工作电压下能保留高容值，同时具备高稳定性、低等效串联电阻（ESR）、低等效串联电感（ESL）以及零老化率等特性，并且容值不会随着时间的推移而损失。SBFT电容器的容值范围为100pF至2.2μF，额定电压为450VDC至1000VDC，工作温度为-55℃至+125℃。

为了比较这三种材料，我们使用了一个标准的电容表——在不同的直流偏压水平上测量容值，直到升至额定电压（图1）。

图1. 使用电容表在1kHz下测量到的容值与直流偏压的关系

X7R和Hiteca™电容器的容值电压系数是负的，它们的容值会随着直流偏压的上升而下降，但Hiteca™的容值下降幅度相比X7R较为平缓。相比之下，PLZT电容器的容值电压系数为正，其容值在400V（略低于额定电压）时增加到最大值，然后在接近额定电压时会稍稍下降。

从它们的斜率可以看出，X7R在直流偏压范围内的容值变化量最大，与峰值相差73%。相比之下，PLZT的差值变化为49%，而Hiteca™仅为31%。

如今，在交通运输、能源制造和其他电力应用中，对更高性能的需求将会促使行业选用容值/电压变化幅度较小的新型电介质。鉴于以上测试结果，Hiteca™是电容器技术发展的下一个可行方向——因其具备在直流偏压下的更高容值、在交流电压下的更低温升以及零老化率的长期可靠性。

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