功率变换系统中滤波元件高介电常数材料的选择及其应用

王一丹，李储君，宋 峥，王世山

（南京航空航天大学自动化学院，江苏 南京210007）

0 引言

电容器是电力电子器件中的重要元件，其容值的大小对设备的性能有显著影响。随着电力电子系统集成化、小型化的发展，电容器件的体积也越来越小。一般而言，电容值与所采用的介质材料、正负极间距离以及极板面积的大小有关。然而，由于工艺难度和击穿电压的限制，不能无限减小极板间距离；增大电容器极板面积，不利于元件的集成化。因此，高介电常数材料［1－2］的采用成为提高电容器容值的有效手段之一。

1 高介电常数材料的测试原理

一般而言，由介质组成的平行板电容器有电力线的边缘效应。但是，根据有限元仿真与解析解的对比，当介质的介电常数较高时，这种效应可以忽略不计。因此，由介质组成的平行板电容器电容为：

S为极板面积；d为两极板之间的距离，即介质的厚度；ε0为真空介电常数；εr为待测量介质的相对介电常数。

然而，介质组成的电容在测量时呈现阻抗特性，甚至还有对应的感性效应存在（图1）。

图1 介质电容模型

假设采用阻抗测试仪器测量获得介质模块的阻抗，在忽略感性效应的条件下，可以采用图1a的模型。取得阻抗虚部的负值X后，则有：

结合式（1），则待测介质的相对介电常数为：

2 高介电常数材料的制作

目前，高介电常数陶瓷材料的制备方法主要有溶胶－凝胶法（液相制备法的一种）、固相反应法和放电等离子SPS法等［3］。溶胶－凝胶法所使用的原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害，且所耗时间长，干燥后可能会因内部微孔气体逸出而收缩；放电等离子法则需要引进一套SPS设备。在固相法、熔盐法和半化学法等不同制备方法中，固相法制备的CCTO具有最高的介电常数而介电损耗最低，同时介电常数的温度稳定性良好［4］。因此，采用固相法进行制作。其具体制作步骤为［5－6］：

a.配料。对于CCTO，将碳酸钙（CaCO3）、氧化铜（CuO）和二氧化钛（TiO2）以1∶3∶4的摩尔比进行混合，以准备进行反应。

然而，对于单一化合物BaTiO3，则可以直接采用其粉末进行后续流程。

b.球磨。为使原料混合均匀，需要经过机械球磨数小时，球磨机可以起到均匀搅拌的作用，以形成稳定的陶瓷材料。表1为2种材料球磨的详细信息，其中的大、小球分别为直径6mm和3mm的氧化锆球。

表1 CCTO、BaTiO3球磨

c.烘干。将上述球磨混合得到的原料取出后，得到稠状的液体原料（CCTO或BaTiO3），不利于加工操作，所以要烘干以得到固体的陶瓷原料。把研磨球和原料分开，将原料加入容器盆中加盖烘干。

d.研磨。烘干后得到的是块状陶瓷材料，需要用研磨过筛的方式得到粉状原料。

e.混交造粒。因为粉末状的CCTO和BaTiO3陶瓷材料粘着性低，不适合直接压片，所以要进行混交造粒这一步，即在研磨后的粉末中加入适量的有机粘着剂。均匀造粒后，粉状的原料会呈现小颗粒，每个颗粒大小相当且具有一定粘性。这样，陶瓷材料便具有了粘性要求，即可进行压片。

f.研磨过筛。混交造粒后得到的CCTO或Ba-TiO3虽然具有粘性，但是颗粒状的，不能直接压片，否则薄片中会有许多空隙，所以对颗粒分别进行研磨过筛操作，以得到具有粘性的CCTO或BaTiO3粉末原料，这是满足压片要求的合格粉末。

g.压片。选择合适的压片模具，经取样、灌装、机压，最后烧结成型（图2）。表2为压片模具的尺寸。

表2 压片模具的尺寸

图2 成型的压片

3 典型高介电常数材料的特性

3.1 测量仪器

在测量时，采用阻抗分析仪Agilent4395A和16092型夹具，将陶瓷片看作平行板电容器，两面镀上导电银漆。测量0.15～30MHz时样品的阻抗值，通过仪器可直接得到随频率变化的电容值，并用Origin绘制其εr－f曲线。

3.2 Al2O3

三氧化二铝（Al2O3）陶瓷是一种以Al2O3为主要原料，以刚玉为主晶相的陶瓷材料。

从一批长为28.0mm、宽为22.0mm、厚为1 mm的Al2O3陶瓷片中，随即抽取3片作为样本（同批次的样品尺寸有微小误差），用上节的测试方法分别测量，得到其εr－f特性曲线如图3所示。

图3显示，Al2O3陶瓷的εr值在0.15～10 MHz时较为稳定（10～12），而在约超过10MHz时急剧减少。

图3 Al2O3介电常数频率特性

总体而言，Al2O3陶瓷介电常数具有较高的频率稳定性。然而，EMI滤波器一般要求的差模电容为nF数量级以上；若采用Al2O3，则需要很大的极板面积，这不符合电力电子的小型化要求，也给制造工艺带来很大的困难。

3.3 BaTiO3

BaTiO3是一种典型的铁电材料，具有良好的绝缘性，是制备多层陶瓷电容器（MLCC）的理想材料［7］。同Al2O3测试方法，介电常数的频率特性曲线如图4所示。

测试显示，BaTiO3的介电常数最大接近11 000。然而，其εr值在0.15～1MHz内迅速下降至2 000以下，可见BaTiO3的εr值在EMI滤波器要求的频率范围内稳定性较差，故在使用BaTiO3时应注意该特性。

图4 BaTiO3介电常数频率特性

3.4 CCTO

钛酸铜钙CaCuTi4O12，简称CCTO，因为具有高介电常数、高温度稳定性加之低损耗的优点，特别适合在大功率电气设备中使用。

如前方法，CCTO的频率特性曲线如图5所示。将阻抗分析仪放入恒温箱中测量，得到30～90℃的温度特性曲线如图6所示。

图5 CCTO介电常数的频率特性（27℃）

图6 CCTO介电常数的温度特性

图5 显示，室温下材料介电常数基本随频率的增大而减小，虽然在传导干扰上限30MHz时介电常数降低至1 000左右，但是仍然远高于目前的普通Al2O3；在10MHz时其值仍然为5 000以上，具有很好的应用价值。

图6显示，在0.15～2MHz范围内，以50℃时介电常数取得极小值，因此，元件的工作温度尽力避开该温度。

同时，采用控制变量法，选取了几片不同厚度的CCTO陶瓷片测试其介电特性（表3），以研究加工厚度对CCTO介电特性的影响。

表3 不同厚度CCTO样片的电容值及介电常数

可见，在同一频率、温度和样品横截面积等条件下，CCTO陶瓷片加工厚度对其介电常数有较大影响——随厚度的增大显著增大，进而影响到其电容值。在保证元件小型化的要求下，并不是介电常数越大越好，否则反而降低滤波器性能。

所以在材料的应用中，应注意寻找最优方案，在厚度和电容值中寻求平衡。

4 高介电常数材料的应用

为了验证所制作的高介电常数材料的正确性，以100W的开关电源电路为实验平台，分别将其应用于 平面 型 EMI滤 波 器［8－9］和 母 线 型 EMI滤波器［10］。

所需的EMI滤波器的基本参数如表4所示。由此分别完成平面EMI滤波器和母线型EMI滤波器设计，如图7所示。

表4 两级EMI滤波器共模电路基本参数

图7 EMI滤波器

在开关电源前分别接入两级平面EMI滤波器，对其做传导干扰测试，其结果如图8所示。测试显示，采用高介电常数材料制作的EMI滤波器，对电磁干扰起到很好的抑制作用。

图8 加入EMI滤波器测试

5 结束语

以陶瓷类高介电常数材料为研究对象，采用“合成”＋“应用”的方法，对其介电常数特性以及在EMI滤波器效果展开研究，得到如下结论：

a.Al2O3虽然具有稳定的介电常数，但是由于数值较小，所以难以在电力电子的小型化、集成化的应用中有重要应用；而BaTiO3和CCTO具有很高的介电常数，但是稳定性较差，所以使用时一定要注意其使用的频率和温度。

b.将CCTO和BaTiO3制作为集成化的电容器，制作了平面型和母线型EMI滤波器，对变换器中的噪声有明显的抑制作用，拓展了2种材料在电力电子集成化中的应用。

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