功率變換系統(tǒng)中濾波元件高介電常數材料的選擇及其應用

王一丹，李儲君，宋 崢，王世山

（南京航空航天大學自動化學院，江蘇 南京210007）

0 引言

電容器是電力電子器件中的重要元件，其容值的大小對設備的性能有顯著影響。隨著電力電子系統(tǒng)集成化、小型化的發(fā)展，電容器件的體積也越來越小。一般而言，電容值與所采用的介質材料、正負極間距離以及極板面積的大小有關。然而，由于工藝難度和擊穿電壓的限制，不能無限減小極板間距離；增大電容器極板面積，不利于元件的集成化。因此，高介電常數材料［1－2］的采用成為提高電容器容值的有效手段之一。

1 高介電常數材料的測試原理

一般而言，由介質組成的平行板電容器有電力線的邊緣效應。但是，根據有限元仿真與解析解的對比，當介質的介電常數較高時，這種效應可以忽略不計。因此，由介質組成的平行板電容器電容為：

S為極板面積；d為兩極板之間的距離，即介質的厚度；ε0為真空介電常數；εr為待測量介質的相對介電常數。

然而，介質組成的電容在測量時呈現阻抗特性，甚至還有對應的感性效應存在（圖1）。

圖1 介質電容模型

假設采用阻抗測試儀器測量獲得介質模塊的阻抗，在忽略感性效應的條件下，可以采用圖1a的模型。取得阻抗虛部的負值X后，則有：

結合式（1），則待測介質的相對介電常數為：

2 高介電常數材料的制作

目前，高介電常數陶瓷材料的制備方法主要有溶膠－凝膠法（液相制備法的一種）、固相反應法和放電等離子SPS法等［3］。溶膠－凝膠法所使用的原料價格比較昂貴，有些原料為有機物，對健康有害，且所耗時間長，干燥后可能會因內部微孔氣體逸出而收縮；放電等離子法則需要引進一套SPS設備。在固相法、熔鹽法和半化學法等不同制備方法中，固相法制備的CCTO具有最高的介電常數而介電損耗最低，同時介電常數的溫度穩(wěn)定性良好［4］。因此，采用固相法進行制作。其具體制作步驟為［5－6］：

a.配料。對于CCTO，將碳酸鈣（CaCO3）、氧化銅（CuO）和二氧化鈦（TiO2）以1∶3∶4的摩爾比進行混合，以準備進行反應。

然而，對于單一化合物BaTiO3，則可以直接采用其粉末進行后續(xù)流程。

b.球磨。為使原料混合均勻，需要經過機械球磨數小時，球磨機可以起到均勻攪拌的作用，以形成穩(wěn)定的陶瓷材料。表1為2種材料球磨的詳細信息，其中的大、小球分別為直徑6mm和3mm的氧化鋯球。

表1 CCTO、BaTiO3球磨

c.烘干。將上述球磨混合得到的原料取出后，得到稠狀的液體原料（CCTO或BaTiO3），不利于加工操作，所以要烘干以得到固體的陶瓷原料。把研磨球和原料分開，將原料加入容器盆中加蓋烘干。

d.研磨。烘干后得到的是塊狀陶瓷材料，需要用研磨過篩的方式得到粉狀原料。

e.混交造粒。因為粉末狀的CCTO和BaTiO3陶瓷材料粘著性低，不適合直接壓片，所以要進行混交造粒這一步，即在研磨后的粉末中加入適量的有機粘著劑。均勻造粒后，粉狀的原料會呈現小顆粒，每個顆粒大小相當且具有一定粘性。這樣，陶瓷材料便具有了粘性要求，即可進行壓片。

f.研磨過篩。混交造粒后得到的CCTO或Ba-TiO3雖然具有粘性，但是顆粒狀的，不能直接壓片，否則薄片中會有許多空隙，所以對顆粒分別進行研磨過篩操作，以得到具有粘性的CCTO或BaTiO3粉末原料，這是滿足壓片要求的合格粉末。

g.壓片。選擇合適的壓片模具，經取樣、灌裝、機壓，最后燒結成型（圖2）。表2為壓片模具的尺寸。

表2 壓片模具的尺寸

圖2 成型的壓片

3 典型高介電常數材料的特性

3.1 測量儀器

在測量時，采用阻抗分析儀Agilent4395A和16092型夾具，將陶瓷片看作平行板電容器，兩面鍍上導電銀漆。測量0.15～30MHz時樣品的阻抗值，通過儀器可直接得到隨頻率變化的電容值，并用Origin繪制其εr－f曲線。

3.2 Al2O3

三氧化二鋁（Al2O3）陶瓷是一種以Al2O3為主要原料，以剛玉為主晶相的陶瓷材料。

從一批長為28.0mm、寬為22.0mm、厚為1 mm的Al2O3陶瓷片中，隨即抽取3片作為樣本（同批次的樣品尺寸有微小誤差），用上節(jié)的測試方法分別測量，得到其εr－f特性曲線如圖3所示。

圖3顯示，Al2O3陶瓷的εr值在0.15～10 MHz時較為穩(wěn)定（10～12），而在約超過10MHz時急劇減少。

圖3 Al2O3介電常數頻率特性

總體而言，Al2O3陶瓷介電常數具有較高的頻率穩(wěn)定性。然而，EMI濾波器一般要求的差模電容為nF數量級以上；若采用Al2O3，則需要很大的極板面積，這不符合電力電子的小型化要求，也給制造工藝帶來很大的困難。

3.3 BaTiO3

BaTiO3是一種典型的鐵電材料，具有良好的絕緣性，是制備多層陶瓷電容器（MLCC）的理想材料［7］。同Al2O3測試方法，介電常數的頻率特性曲線如圖4所示。

測試顯示，BaTiO3的介電常數最大接近11 000。然而，其εr值在0.15～1MHz內迅速下降至2 000以下，可見BaTiO3的εr值在EMI濾波器要求的頻率范圍內穩(wěn)定性較差，故在使用BaTiO3時應注意該特性。

圖4 BaTiO3介電常數頻率特性

3.4 CCTO

鈦酸銅鈣CaCuTi4O12，簡稱CCTO，因為具有高介電常數、高溫度穩(wěn)定性加之低損耗的優(yōu)點，特別適合在大功率電氣設備中使用。

如前方法，CCTO的頻率特性曲線如圖5所示。將阻抗分析儀放入恒溫箱中測量，得到30～90℃的溫度特性曲線如圖6所示。

圖5 CCTO介電常數的頻率特性（27℃）

圖6 CCTO介電常數的溫度特性

圖5 顯示，室溫下材料介電常數基本隨頻率的增大而減小，雖然在傳導干擾上限30MHz時介電常數降低至1 000左右，但是仍然遠高于目前的普通Al2O3；在10MHz時其值仍然為5 000以上，具有很好的應用價值。

圖6顯示，在0.15～2MHz范圍內，以50℃時介電常數取得極小值，因此，元件的工作溫度盡力避開該溫度。

同時，采用控制變量法，選取了幾片不同厚度的CCTO陶瓷片測試其介電特性（表3），以研究加工厚度對CCTO介電特性的影響。

表3 不同厚度CCTO樣片的電容值及介電常數

可見，在同一頻率、溫度和樣品橫截面積等條件下，CCTO陶瓷片加工厚度對其介電常數有較大影響——隨厚度的增大顯著增大，進而影響到其電容值。在保證元件小型化的要求下，并不是介電常數越大越好，否則反而降低濾波器性能。

所以在材料的應用中，應注意尋找最優(yōu)方案，在厚度和電容值中尋求平衡。

4 高介電常數材料的應用

為了驗證所制作的高介電常數材料的正確性，以100W的開關電源電路為實驗平臺，分別將其應用于 平面 型 EMI濾 波 器［8－9］和 母 線 型 EMI濾波器［10］。

所需的EMI濾波器的基本參數如表4所示。由此分別完成平面EMI濾波器和母線型EMI濾波器設計，如圖7所示。

表4 兩級EMI濾波器共模電路基本參數

圖7 EMI濾波器

在開關電源前分別接入兩級平面EMI濾波器，對其做傳導干擾測試，其結果如圖8所示。測試顯示，采用高介電常數材料制作的EMI濾波器，對電磁干擾起到很好的抑制作用。

圖8 加入EMI濾波器測試

5 結束語

以陶瓷類高介電常數材料為研究對象，采用“合成”＋“應用”的方法，對其介電常數特性以及在EMI濾波器效果展開研究，得到如下結論：

a.Al2O3雖然具有穩(wěn)定的介電常數，但是由于數值較小，所以難以在電力電子的小型化、集成化的應用中有重要應用；而BaTiO3和CCTO具有很高的介電常數，但是穩(wěn)定性較差，所以使用時一定要注意其使用的頻率和溫度。

b.將CCTO和BaTiO3制作為集成化的電容器，制作了平面型和母線型EMI濾波器，對變換器中的噪聲有明顯的抑制作用，拓展了2種材料在電力電子集成化中的應用。

［1］ 邵天奇，任天令，李春曉，等.高介電常數材料在半導體存儲器件中的應用［J］.固體電子學研究與進展，2002，22（3）：312-317.

［2］ 毛金花.高介電常數 BaTiO3／Ni0.8Zn0.2Fe2O4復合材料的制備與研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2007.

［3］ Wang Hui，Li Shengtao，Lin Chunjiang，et al.Dielectric properties of CaCu3Ti4O12thick films［C］／／2012IEEE 10th International Conference on the Properties and Applications of Dielectric Materials.Bangalore，India，2012.

［4］ 王亞軍，王芳芳，馮長根，等.巨介電CCTO及CCTO／聚合物研究［J］.化學進展，2013，25（11）：1981-1988.

［5］ 邵守福.鈦酸銅鈣基高介電陶瓷材料和鈦酸鋇壓電陶瓷材料的物性研究［D］.濟南：山東大學，2009.

［6］ 羅紹華.新型巨介電壓敏陶瓷材料鈦酸銅鈣研究進展［J］.電瓷避雷器，2008（6）：25-30.

［7］ 周舟.La3＋摻雜對鈦酸鋇陶瓷結構和介電性能的影響［J］.中國陶瓷，2014，50（7）：14-17.

［8］ Chen Rengang，Wang Shuo，van Wyk J D，et al.Integration of EMI filter for distribution power system（DPS）frontend converter［C］／／Power Electronics Specialist Conference.Acapulco Mexico，2003：296-300.

［9］ Chen Rengang.Integrated EMI filters for switch mode power supplies［D］.Blacksburg，Virginia：Virginia Polytechnic Institute and State University，2004.

［10］ Luo F，Baisden A，Wang S，et al.Design of a hybrid busbar filter combining transmission–line filter and one turn inductor for DC-fed three phase motor drive systems［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28（12）：5588-5602.