Диссертация (Исследование работоспособности сегнетокерамических конденсаторов при повышенных электрических нагрузках), страница 5

На рисунке 1.6 показано поперечное сечениевысоковольтного монолитного конденсатора с плавающим электродом.27Рисунок 1.6 – Поперечное сечение MLCC с плавающим электродом. Пунктиромпоказаны области перекрытия электродов (активный объем) [45]Дальнейшая миниатюризация высоковольтных MLCC упирается в проблемуразвития электрических разрядов между наружными электродами по поверхностиконденсатора по мере роста напряжения, приводящих к дуговому перекрытию иразрушению поверхности конденсатора.

Эта научно-техническая проблемарешается с помощью введения в конструкцию конденсатора дополнительныхэкранирующих внутренних электродов и применения специальных покрытийповерхности, препятствующих развитию разрядов [45].Эквивалентная последовательная индуктивность конденсатора является егонежелательным, паразитным параметром, обуславливающим возникновениетакого явления, как собственный резонанс конденсатора. Максимальная частота,на которой конденсатор обладает емкостным сопротивлением, ограничена его ESL.В области частот, превышающих частоту собственного резонанса, конденсаторобладает индуктивным сопротивлением и его использование неэффективно.

Такимобразом, чем меньше ESL конденсатора, тем в более широком частотном диапазонеон может функционировать в качестве электрической емкости. Особенноактуально снижение ESL до минимально возможных значений для конденсаторов,28работающих в импульсных и высокочастотных схемах.

При импульсном разрядеконденсатора в апериодическом и колебательных режимах скорость изменениятока достигает значительной величины, что эквивалентно эксплуатации ввысокочастотных схемах. Даже небольшая индуктивность на высоких частотахприводит к большому индуктивному сопротивлению, что искажает формуразрядного тока и снижает его амплитуду.Собственная индуктивность MLCC определяется соотношением длины кширине электрода, по которому протекает ток, а также взаимной индуктивностьюмежду электродами [49].

По этой причине выводы низкоиндуктивных MLCCрасполагаются по длине конденсатора, как показано на рисунке 1.7. Эта мерапозволяет снизить ESL с характерных для MLCC величин порядка 1 нГн довеличины около 0.1 нГн.Рисунок 1.7 – Внешний вид низкоиндуктивных MLCC [50]Дополнительной мерой снижения ESL является расположение электродовтаким образом, чтобы магнитные потоки, создаваемые токами, втекающими наположительную обкладку конденсатора и вытекающими из отрицательнойобкладки, были противоположно направлены.

Конденсаторы такой конструкцииобладают повышенным количеством выводов (4, 8 штук) и называютсяультранизкоиндуктивными. Их собственная индуктивность имеет характерныезначения 25 – 60 пГн в зависимости от емкости. Внешний вид и схемарасположения электродов этих конденсаторов представлены на рисунках 1.8 – 1.9.29Рисунок 1.8 – Внешний вид ультранизкоиндуктивного MLCC [51]Рисунок 1.9 – Схема расположения электродов и выводовультранизкоиндуктивного MLCC.

Стрелками помечены направления токов [51]Эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора являетсяпараметром, определяющим рассеяние энергии электрического поля в диэлектрикеконденсатора. ESR конденсатора складывается из потерь диэлектрика и омическихпотерь в электродах. В случае MLCC I типа потери в электродах по величинесопоставимы с потерями в диэлектрике и могут превышать последние ввысокочастотном диапазоне (tgδ ~ 10-4). Это обусловлено применением в качествематериала электрода металлов и сплавов с невысокой проводимостью (смесьPd/Ag).

Величина потерь в электродах также увеличивается при увеличениидиэлектрическойпроницаемостииуменьшениитолщиныкерамическогодиэлектрика [1].Для снижения ESR применяется конструкция MLCC со сдвоеннымиэлектродами (рисунок 1.10). Такая электродная система позволяет уменьшить ток,проходящий по каждой обкладке, и тем самым уменьшить ESR. Сочетание вконструкции конденсатора «плавающих» и сдвоенных электродов позволяетуменьшить сопротивление электродов в 2 – 4 раза (с характерных значений 0.1 Ом30до 25 мОм), однако приводит к ухудшению параметра удельной емкости иприменяется ограниченно.Рисунок 1.10 – Схема конструкции MLCC со сдвоенными электродами [1]Несмотря на то, что ESR является, как правило, параметром, которыйконструкторы конденсаторов стремятся уменьшить, существует ряд примененийMLCC II типа, в которых очень низкое значение ESR (<0.01 Ом), напротив,приводит к нежелательным эффектам.

Например, в цепях развязки источниковпитания и микропроцессоров малое ESR приводит к негативным резонанснымявлениям, нарушающим стабильность работы данных устройств [52,53]. В случаемикропроцессоров возникает параллельный резонанс между конденсаторамиразвязки, это приводит к протеканию высокочастотных токов большой величины исбоям в работе процессора. Для повышения минимального ESR применяетсяспециальная конструкция электродной системы MLCC с тремя выводами,показанная на рисунке 1.11.

Стрелками на поясняющей схеме показаны путипротекания тока, цветом выделены выводы положительной (красный) иотрицательной (синий) полярности. Данная конструкция позволяет также снизитьсобственную индуктивность конденсаторов по сравнению со стандартнойконструкцией. Применение MLCC с тремя выводами в цепях развязкимикропроцессоров позволяет в несколько раз сократить количество необходимыхконденсаторов по сравнению с MLCC с двумя выводами и увеличить свободнуюдля монтажа площадь на плате [52].31Рисунок 1.11 – Внешний вид и эквивалентная схема MLCC c 3 выводами [52,53]1.3.Основные сведения о сегнетоэлектриках и сегнетоэлектрическихматериалахСегнетоэлектрикамиотсутствииназываютсяэлектрическогополявещества,наличиемхарактеризующиесяспонтаннойприполяризациивопределенном интервале температур и давлений, направление которой может бытьизменено внешним электрическим полем или механическим давлением [54,55].Сегнетоэлектрики относятся к классу кристаллических диэлектриков и являютсячастнымслучаемкристаллическихболеевеществобщего–классапироэлектриков.спонтаннополяризованныхПироэлектрикиотличаютсясуществованием спонтанной поляризации во всем интервале температур, вплоть доплавления, а также тем, что направление их спонтанной поляризованности неможет быть переориентировано под действием электрического поля [56,57].ПроцессизменениянаправленияспонтаннойполяризованностиPsсегнетоэлектриков – переполяризация – сопровождается диэлектрическимгистерезисом (рисунок 1.12), то есть нелинейной и неоднозначной зависимостьюполяризованности диэлектрика от напряженности внешнего электрического поляE.

Диэлектрическая восприимчивость сегнетоэлектриков (E) P,E(1.3)32и диэлектрическая проницаемость ( E)  1  (1.4)зависят от напряженности электрического поля [58-60].Характерной чертой сегнетоэлектриков является существование в нихобластей, в которых поляризованность имеет одно и то же направление, – доменов.Доменная структура сегнетоэлектриков обусловлена двумя основными причинами:равной вероятностью возникновения спонтанной поляризованности по любому изпозволенных направлений сегнетоэлектрического кристалла и энергетическойвыгодностью разбиения кристалла на домены [61-63].

Энергетическая выгодностьдоменной структуры обычно объясняется следующим образом. Допустим,спонтанная поляризованность Ps во всем объеме одноосного кристалла имеетодинаковое направление. При этом, когда кристалл представляет собой по сутиодин домен, вне него возникает деполяризующее электрическое поле Eдеп,обладающее энергиейWдеп 1DEдеп dV ,2 V(1.5)где D – вектор электрического смещения, Eдеп – вектор напряженностиэлектрического поля деполяризации.

Разбиение кристалла сегнетоэлектрика надомены уменьшает Wдеп за счет того, что в случае существования множестваразнонаправленныхобластейполяризованностиуменьшаетсяполяризованность сегнетоэлектрика и, соответственно,суммарнаяуменьшаетсяполедеполяризации. Дробление доменов не происходит неограниченно, но имеетпредел,обусловленныйростомчисладоменныхграниц,обладающихповерхностной энергией [64].

При достижении баланса между граничнойповерхностной энергией и энергией поля деполяризации рост числа доменовпрекращается.На рисунке 1.12 показана характерная зависимость поляризованностисегнетоэлектрика от напряженности электрического поля (петля гистерезиса). Нарисунке показана сформировавшаяся петля гистерезиса после многих циклов33смены полярности электрического поля (без начального участка).