Lors de la construction de condensateurs céramiques multicouches (MLCC), les ingénieurs électriciens choisissent souvent deux types de diélectriques en fonction de l'application : classe 1, diélectriques en matériaux non ferroélectriques tels que C0G/NP0, et classe 2, diélectriques en matériaux ferroélectriques tels que X5R et X7R.La principale différence entre eux est de savoir si le condensateur, avec une tension et une température croissantes, présente toujours une bonne stabilité.Pour les diélectriques de classe 1, la capacité reste stable lorsqu'une tension continue est appliquée et que la température de fonctionnement augmente ;Les diélectriques de classe 2 ont une constante diélectrique (K) élevée, mais la capacité est moins stable sous les changements de température, de tension, de fréquence et dans le temps.
Bien que la capacité puisse être augmentée par divers changements de conception, tels que la modification de la surface des couches d'électrodes, du nombre de couches, de la valeur K ou de la distance entre les deux couches d'électrodes, la capacité des diélectriques de classe 2 finira par chuter fortement lorsque une tension continue est appliquée.Cela est dû à la présence d'un phénomène appelé polarisation CC, qui entraîne une baisse de la constante diélectrique des formulations ferroélectriques de classe 2 lorsqu'une tension continue est appliquée.
Pour des valeurs K plus élevées des matériaux diélectriques, l'effet de la polarisation CC peut être encore plus grave, les condensateurs pouvant perdre jusqu'à 90 % ou plus de leur capacité, comme le montre le diagramme.
La rigidité diélectrique d'un matériau, c'est-à-dire la tension que peut supporter une épaisseur donnée de matériau, peut également modifier l'effet de la polarisation continue sur un condensateur.Aux États-Unis, la rigidité diélectrique est généralement mesurée en volts/mil (1 mil équivaut à 0,001 pouce), ailleurs, elle est mesurée en volts/micron et est déterminée par l'épaisseur de la couche diélectrique.En conséquence, différents condensateurs ayant la même capacité et la même tension nominale peuvent fonctionner de manière très différente en raison de leurs structures internes différentes.
Il convient de noter que lorsque la tension appliquée est supérieure à la rigidité diélectrique du matériau, des étincelles traversent le matériau, entraînant un risque potentiel d'inflammation ou d'explosion à petite échelle.
Exemples pratiques de la manière dont la polarisation DC est générée
Si nous considérons le changement de capacité dû à la tension de fonctionnement en conjonction avec le changement de température, nous constatons que la perte de capacité du condensateur sera plus importante à la température d'application et à la tension continue spécifiques.Prenons par exemple un MLCC en X7R avec une capacité de 0,1 µF, une tension nominale de 200 V CC, un nombre de couches internes de 35 et une épaisseur de 1,8 mils (0,0018 pouces ou 45,72 microns), cela signifie que lorsqu'il fonctionne à 200 V CC, le diélectrique la couche ne subit que 111 volts/mil ou 4,4 volts/micron.A titre de calcul approximatif, le VC serait de -15 %.Si le coefficient de température du diélectrique est de ±15 % ΔC et que le VC est de -15 % ΔC, alors le TVC maximum est de +15 % – 30 % ΔC.
La raison de cette variation réside dans la structure cristalline du matériau de classe 2 utilisé – en l'occurrence le titanate de baryum (BaTiO3).Ce matériau présente une structure cristalline cubique lorsque la température de Curie est atteinte ou supérieure.Cependant, lorsque la température revient à la température ambiante, une polarisation se produit car l'abaissement de la température amène le matériau à modifier sa structure.La polarisation se produit sans aucun champ électrique ni pression externe, c'est ce qu'on appelle polarisation spontanée ou ferroélectricité.Lorsqu'une tension continue est appliquée au matériau à température ambiante, la polarisation spontanée est liée à la direction du champ électrique de la tension continue et une inversion de la polarisation spontanée se produit, entraînant une réduction de la capacité.
De nos jours, même avec les différents outils de conception disponibles pour augmenter la capacité, la capacité des diélectriques de classe 2 diminue encore considérablement lorsqu'une tension continue est appliquée en raison de la présence du phénomène de polarisation continue.Par conséquent, afin de garantir la fiabilité à long terme de votre application, vous devez prendre en compte l'effet de la polarisation CC sur le composant en plus de la capacité nominale du MLCC lors de la sélection d'un MLCC.
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Heure de publication : 05 mai 2023