Was ist das DC-Bias-Phänomen?

Beim Bau von Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) wählen Elektroingenieure je nach Anwendung häufig zwei Arten von Dielektrika: Dielektrika der Klasse 1 aus nicht ferroelektrischen Materialien wie C0G/NP0 und Dielektrika der Klasse 2 aus ferroelektrischen Materialien wie X5R und X7R.Der wesentliche Unterschied zwischen ihnen besteht darin, ob der Kondensator bei steigender Spannung und Temperatur immer noch eine gute Stabilität aufweist.Bei Dielektrika der Klasse 1 bleibt die Kapazität stabil, wenn eine Gleichspannung angelegt wird und die Betriebstemperatur steigt;Dielektrika der Klasse 2 haben eine hohe Dielektrizitätskonstante (K), aber die Kapazität ist bei Temperatur-, Spannungs-, Frequenz- und Zeitänderungen weniger stabil.

Obwohl die Kapazität durch verschiedene Designänderungen, wie z. B. die Änderung der Oberfläche der Elektrodenschichten, der Anzahl der Schichten, des K-Werts oder des Abstands zwischen den beiden Elektrodenschichten, erhöht werden kann, sinkt die Kapazität von Dielektrika der Klasse 2 letztendlich stark eine Gleichspannung angelegt wird.Dies ist auf das Vorhandensein eines Phänomens namens DC-Bias zurückzuführen, das dazu führt, dass die ferroelektrischen Formulierungen der Klasse 2 schließlich einen Abfall der Dielektrizitätskonstante erfahren, wenn eine Gleichspannung angelegt wird.

Bei höheren K-Werten dielektrischer Materialien kann der Effekt der Gleichstromvorspannung sogar noch schwerwiegender sein, da Kondensatoren möglicherweise bis zu 90 % oder mehr ihrer Kapazität verlieren, wie im Diagramm dargestellt.

Die Durchschlagsfestigkeit eines Materials, also die Spannung, der eine bestimmte Materialstärke standhalten kann, kann auch die Wirkung einer Gleichstromvorspannung auf einen Kondensator verändern.In den USA wird die Durchschlagsfestigkeit normalerweise in Volt/Mil (1 Mil entspricht 0,001 Zoll) gemessen, andernorts wird sie in Volt/Mikrometer gemessen und durch die Dicke der dielektrischen Schicht bestimmt.Infolgedessen können verschiedene Kondensatoren mit derselben Kapazität und Nennspannung aufgrund ihrer unterschiedlichen internen Strukturen eine deutlich unterschiedliche Leistung erbringen.

Es ist zu beachten, dass Funken durch das Material dringen, wenn die angelegte Spannung größer als die Durchschlagsfestigkeit des Materials ist, was zu einer möglichen Entzündung oder einem kleinen Explosionsrisiko führen kann.

Praktische Beispiele, wie DC-Bias erzeugt wird

Betrachtet man die Kapazitätsänderung aufgrund der Betriebsspannung in Verbindung mit der Temperaturänderung, so stellt man fest, dass der Kapazitätsverlust des Kondensators bei der jeweiligen Anwendungstemperatur und Gleichspannung größer ist.Nehmen wir zum Beispiel einen MLCC aus Schicht erfährt nur 111 Volt/Mil oder 4,4 Volt/Mikron.Als grobe Berechnung würde der VC -15 % betragen.Wenn der Temperaturkoeffizient des Dielektrikums ±15 % ΔC und der VC -15 % ΔC beträgt, beträgt der maximale TVC +15 % – 30 % ΔC.

Der Grund für diese Abweichung liegt in der Kristallstruktur des verwendeten Klasse-2-Materials – in diesem Fall Bariumtitanat (BaTiO3).Dieses Material hat eine kubische Kristallstruktur, wenn die Curie-Temperatur erreicht oder höher ist.Wenn die Temperatur jedoch auf die Umgebungstemperatur zurückkehrt, kommt es zu einer Polarisation, da das Absinken der Temperatur dazu führt, dass das Material seine Struktur ändert.Die Polarisation erfolgt ohne äußeres elektrisches Feld oder Druck und wird als spontane Polarisation oder Ferroelektrizität bezeichnet.Wenn bei Umgebungstemperatur eine Gleichspannung an das Material angelegt wird, ist die spontane Polarisation mit der Richtung des elektrischen Feldes der Gleichspannung verknüpft und es kommt zu einer Umkehr der spontanen Polarisation, was zu einer Verringerung der Kapazität führt.

Heutzutage nimmt die Kapazität von Dielektrika der Klasse 2 trotz der verschiedenen verfügbaren Designtools zur Kapazitätserhöhung aufgrund des DC-Bias-Phänomens immer noch deutlich ab, wenn eine Gleichspannung angelegt wird.Um die langfristige Zuverlässigkeit Ihrer Anwendung sicherzustellen, müssen Sie daher bei der Auswahl eines MLCC zusätzlich zur Nennkapazität des MLCC auch die Auswirkung der Gleichstromvorspannung auf die Komponente berücksichtigen.

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