一种高介电常数材料的制作及其在电力电子器件中应用.pdfVIP

中国电源学会第二十届学术年会论文集 一种高介电常数材料的制作及其在电力电子器件中的 应用 1 2 徐晨琛 ，王世山 (南京航空航天大学电气工程系，南京 210016) 1 2 Email :Joyce.e07@; Email :Wangshishan@ 摘要 电力电子器件的小型化、集成化的发展与材料的开发息息相关。电容作为电力电子系统中的关键元 件，其小体积大电容的实现需要依靠高介电常数材料的开发。本文论述了一种高介电常数材料——钛酸铜钙 (CCTO) 的开发过程，研究了其物理化学特性，通过阻抗测试分析了介电常数与频率之间的关系。集成式滤波 器发展的关键点之一是小体积大电容的集成，CCTO 的高介电性能够满足集成式滤波器对电容的要求。本文 通过对CCTO 材料特性的分析，初步探究了其在集成式滤波器中的应用，为电力电子器件的小型化、集成化 的发展奠定了一定的基础。 关键词 高介电常数，钛酸铜钙(CCTO)，大电容，集成式滤波器 1.引言 电力电子小型化、集成化的发展对电力电子器件的开发提出了更高的要求，材料在元件级器件 的开发中起到至关重要的作用。器件的小型化、集成化包括了电感、电容的小型化、集成化，其中 电容的小型化可以通过减少电容面积、提高介电常数、减小极板间距离来实现，在保持大电容的情 况下减小电容的体积比较实际的做法是提高介电常数。 至今包括钛酸钡(BaTiO )、铋化合物如 Bi O ·2SnO 、Bi O ·2ZrO 、Ta O 、Sm O 、Nb O 3 2 3 2 2 3 2 2 5 2 3 2 5 的介电陶瓷组合已被用作具有高介电常数材料，由于这些材料表现出随温度升高而降低的现象，难 [1] 以获得尺寸较小而容值较大的电容使其难以在实际中得到应用 。 近年来，发现体心立方体结构的类钙钛矿氧化物钛酸铜钙(简写为CCTO)因具有超高的介电常 [2] 数、良好的温度稳定性、显著的介电可调性等性能而受到广泛关注 。 本文通过固相法制作钛酸铜钙陶瓷，研究该材料介电性能与频率之间的关系，对其在电力电子 器件中的应用进行了初步探究。 2.CCTO 材料的制作过程 [3] CCTO 具有巨介电常数，能够在很宽的温区范围内(100-600K)保持介电常数值几乎不变 ，反 映了介电响应的高热稳定性，且不需要特殊的制造过程，烧结温度也不高，约为1000℃~1100℃上 下，是一般介电材料难以达到的性质。这些良好的综合性能，使其有可能成为在高密度能量存储、 薄膜器件、高介电电容器等一系列高新技术领域中获得广泛的应用。 钛酸铜钙具有体心立方钙钛矿结构，其内部是由半导状态的晶粒以及绝缘的晶界两部分组成， 并且总是孪晶的，当外加电场作用时，晶界层起势垒的作用，电荷会在此发生聚集，由此形成一个 个微小的电容器。其中晶粒充当电极的作用，而晶界则类似于介质。这些微小电容器以串联或是并 [4] 联的方式聚集在一起，最终使得CCTO 宏观上表现出巨介电性质 。 1国家自然科学基金、台达环境与教育基金会《电力电子科教发展计划》(DREK2013 004)、研究生 创新基地(实验室)开放基金资助。 · 98 · 中国电源学会第二十届学术年会论文集 2. 1