電動汽車中逆變器里的電容到底有什么特別

　　上半年COVID-19疫情的爆發(fā)，給IT設備領域創(chuàng)造了新的行業(yè)熱點，但對交通出行行業(yè)造成了重創(chuàng)。從中國汽車工業(yè)協(xié)會（CAAM）的數(shù)據(jù)來看，今年一季度，乘用車銷量相比去年同期降低了42.4%。上汽大眾和上汽通用這一季的銷量跌幅達到了50.4%和47.7%。

　　但好的信號是，全國乘聯(lián)會（CPCA）數(shù)據(jù)顯示，3月份國內汽車銷量雖然同比降低，但降幅已經(jīng)遠低于2月份的水平，表明市場正在回暖。另外，疫情之后的汽車市場，正從燃油車轉向EV（電動汽車）或xEV（混合動力等類型的汽車）等新能源汽車。雖然油價在降，但國內針對汽車電動化保持著長期策略目標。

　　國家在政策層面給予了新能源汽車以進一步的補貼刺激，國內至少10個城市發(fā)布刺激計劃。比如廣州宣布針對今年3-12月份新能源汽車銷量，補貼10000元人民幣;另外全國范圍內，針對新能源汽車的補貼從原本的今年年底結束，延后至2022年。與此同時，針對新能源汽車的基建工作還在持續(xù)，典型如國家電網(wǎng)預計在2020年投資27億元打造7.8萬充電站。

　　市場對于EV規(guī)模的擴大始終在持續(xù)，即便整個汽車行業(yè)從去年開始便受制于種種市場因素，EV帶來的市場熱點，對于市場參與者的誘惑仍然是不可忽視的。早前我們曾撰文提過電動車帶來的各種市場新機遇：在這篇文章中，我們嘗試從電容器來觀察這一技術轉變，探討伴隨汽車電動化趨勢，電容器表現(xiàn)出的尖端技術轉變。

　　電動車核心部件進化

　　電動汽車中，電容器的作用主要是阻斷紋波電流、消除直流總線電壓波動，另外還用于保護功率器件：典型如現(xiàn)在的IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）。要理解當代電容技術，在其間發(fā)生的轉變，還是需要首先看一看電動車內部構造上的變化，以及在此間電容器技術轉變的關鍵位置。

　　上面這張圖是EV純電動車的簡單框圖，內部完全不再使用內燃機引擎。在剎車制動時，電機可作為發(fā)電機存在，將動能轉為電能的方式為電池充電。與此同時，對于不同形式的EV汽車而言，系統(tǒng)內都會有電池傳輸電流至高壓組件，為汽車提供電動動力。

　　其中，逆變器（Inverter）與DC-DC變換器，在整個車內是核心高壓模塊。逆變器將來自電池的直流電，轉為電機所需的三相交流電。DC-DC變換器，則將車內馬達（如剎車制動）產(chǎn)生的高壓，轉為典型的電池電壓（如12V/20V）。這兩者，再加上電池系統(tǒng)，就是電動車的核心要件，都有各自的設計挑戰(zhàn)。

　　以逆變器為例，逆變器內部的功率晶體管必須針對高壓電流，進行無縫轉換、開關、調節(jié)動作，而且是在高溫這樣的惡劣環(huán)境下。IGBT、WGB（寬禁帶）、SiC、GaN一類技術也因此開始盛行，體現(xiàn)出市場參與者對功率及效率提升的要求。而且這些材料能夠經(jīng)受高溫、高壓。但與此同時，新技術的采用也給穩(wěn)定、安全的設計帶來了挑戰(zhàn)。比如說GaN功率晶體管以極快的速度開關，那么系統(tǒng)設計就很大程度需要考慮EMI電磁干擾或者寄生電感導致的問題。

　　DC-DC變換器的設計挑戰(zhàn)也在于，傳統(tǒng)硅器件要求采用昂貴的水冷系統(tǒng)。WGB寬禁帶器件能夠降低這方面的成本和需求，但也帶來了一些潛在的安全問題——因為多個轉換器應用要集成到單個模塊中，增加了工作電壓。

　　從整個電動車的角度來說，電子元器件受到的挑戰(zhàn)主要來自于：（1）電動車是基于高壓電池系統(tǒng)的;（2）較快的充電速度，要求的高功率;（3）電動車內部子系統(tǒng)要求做到更小的體積，提升整個系統(tǒng)的組件密度;（4）隨上述挑戰(zhàn)，包括高頻率驅動的轉換器，以及各子系統(tǒng)尺寸縮減要求，造就的高溫工作環(huán)境;（5）高可靠性要求——這原本就是車載系統(tǒng)的基本要求。

　　尺寸越來越敏感的電容

　　在汽車電動化的技術演進過程中，電力電子系統(tǒng)的集成化和小型化，始終是趨勢。這是汽車電動化、數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化過程中的必由之路，因為汽車內部系統(tǒng)開始變得復雜，且空間越來越局限。過去30年，汽車內部的技術、解決方案都趨向于越來越高的功率密度。

　　隨汽車內部空間的緊張，及系統(tǒng)的復雜化，機電系統(tǒng)的整合，又不只是增加功率密度。器件、互聯(lián)、散熱等等共同構成了集合體，以降低電力電子系統(tǒng)的整體成本。其中一個非常關鍵的組成部分是被動器件，尤其是被提的很多的直流側電容（DC-link Capacitors）、電磁干擾過濾器、轉換器電感等。

　　尺寸縮減，外加更高的結構彈性，對溫度的適應性，都是滿足系統(tǒng)整合挑戰(zhàn)的必要條件。上述功率器件新技術的發(fā)展，即是這一趨勢的體現(xiàn)。而被動器件，更是電力電子系統(tǒng)成本和尺寸的重要組成部分，尤其是提供低阻抗DC環(huán)節(jié)、滿足EMI限制需求的電容器，在其中占了很大一部分。

　　針對這樣的需求，能夠具體落實的電容產(chǎn)品主要有三大類，分別是MLCC（多層陶瓷電容）、鋁電解電容以及薄膜電容。

　　MLCC有著較小的尺寸、較高的交流額定電流，而且工作溫度可以很高——包括儲能密度等參數(shù)也滿足需求，但成本及機械敏感性可能會限制其在高壓汽車DC環(huán)節(jié)的應用。

　　鋁電解電容有著最高的儲能密度，但ESR（等效串聯(lián)電阻）或者AC電流額定值不夠理想。針對這些問題當然也都有改良方案，但在ESR抑制方面，由于實際特性的限制，額定電壓、工作溫度范圍、ESR很難同時做到完全理想化。

　　薄膜電容則在形態(tài)、尺寸方面展現(xiàn)出了明顯比較高的彈性，在系統(tǒng)設計上會有較大的優(yōu)勢。DC環(huán)節(jié)薄膜電容作為逆變器中占用體積很大的一部分，更高的儲能密度就顯得相當重要。在EV系統(tǒng)中，電容需要在DC環(huán)節(jié)中擔綱解耦、過濾器的角色。電解電容器相比薄膜電容器，需要高出許多的最小電容量，才能承受相同的電流值。從應對高RMS電流的角度來看，金屬化薄膜電容（Metallised Film Capacitor）因此具備節(jié)省空間、節(jié)約成本的特性。

　　而且如前所述，這種電容器在形態(tài)上明顯更具彈性，環(huán)形、同軸，甚至在薄膜堆疊上直接鉆孔都可行。這就讓系統(tǒng)設計變得更為簡單，可更輕松地滿足電機本身的形狀需求。

　　理論上，影響儲能密度的參數(shù)主要包括了最大工作場強、相關介電常數(shù)。不同的陶瓷電容器也存在溫度穩(wěn)定性，以及在直流偏置電壓下介電常數(shù)驟降等問題。考慮到薄膜電容還有自我修復這樣的能力，薄膜電容在上述場景下因此更是各種電容器中的優(yōu)選。

　　當然在實現(xiàn)電力電子系統(tǒng)減小體積的問題上，本身還有更多系統(tǒng)設計中需要關注的問題。而且薄膜電容的薄膜材料有較大的熱膨脹系數(shù)——即隨溫度變化，尺寸會發(fā)生較大幅度的變化，這是必須考慮的問題。

　　高溫高壓耐受/耐久性要求

　　除了提升空間利用率之外，在實際應用中，薄膜電容作為針對電動車逆變器的濾波電容也表現(xiàn)出了相當大的優(yōu)勢。去年的CEATEC 2019展會上，我們采訪薄膜電容供應商之一的尼吉康時，尼吉康的工程師告訴我們：

　　“薄膜電容器壽命比電解電容器長得多，可以達到20年以上;另外在電壓等級方面，電解電容電壓比較低，薄膜電容則電壓高;電解電容受溫度影響大——在溫度變化時，其容量、損耗率會發(fā)生變化，而薄膜電容是非常穩(wěn)定的?！?/p>

　　一般來說，薄膜電容器所用不同的薄膜材料呈現(xiàn)出的耐熱性、電容溫度特性、交流擊穿電壓、尺寸等都有差異。耐熱性比較出色的是PEN（聚苯二甲酸乙二醇）與PPS（聚苯硫醚）薄膜，成本相較PP（聚丙烯）、PET（聚酯）也會略高一些——其中PET可以做得更薄，相比PP可提供更高的相對介電常數(shù)。

　　但總的來說，大容量、高耐壓都是薄膜電容的特點——尼吉康也因此將其應用在電力電子行業(yè)。薄膜電容在面向汽車應用時，ESR、溫度區(qū)間、成本、強度都是相對平衡的選擇。其中還特別值得一說是尼吉康工程師所說的“壽命長得多”，畢竟器件的耐久性是車載組件的核心要求之一。除了自身壽命超長的特性，如前文所述，金屬化薄膜電容的一大特色便是自我修復能力。

　　尼吉康的金屬化薄膜電容器是通過蒸鍍的方式，在薄膜表面形成很薄的金屬層作為電極。這種薄膜電容器的一大特點就是具有自我修復能力，如果電容內部有擊穿損壞點，氣化金屬就能在損壞處形成氣化集合面，達到自我修復的目的，避免短路、失效的問題，雖然會有較少的電容量損失。

　　針對高可靠性的進一步提升，主流的電容器制造商也普遍有一些技術方案加成，比如說尼吉康為之加入的一種保險絲結構——這是一種蜂窩狀的熔絲。通過這種結構，可將故障部分的電容器從電路中隔開，作為另一重可靠性方案。

　　在汽車駕駛過程中，城市道路的加速和剎車等頻繁動作，體現(xiàn)在逆變器上就是瞬間的大電流變化，電容需要頻繁地充放電?？紤]每200米就有一次加速或制動，則超過20萬公里的行駛里程，就會有100萬次主動的動力循環(huán)。顯然薄膜電容的諸多特點，應對這樣的使用場景顯得非常得益。

　　薄膜電容市場增長潛力有多大？

　　從宏觀市場數(shù)據(jù)來看，Allied Market Research統(tǒng)計數(shù)據(jù)給出，預計到2026年薄膜電容器市場規(guī)模達到25.9億美元，近7年的年復合增長率在2.5%左右，電動汽車系統(tǒng)是其中的最主要驅動力。這是在預料之中的。

　　如果看更具體的企業(yè)行為，尼吉康的主營業(yè)務恰巧就包含了三大塊，分別是鋁電解電容器、薄膜電容器和電路產(chǎn)品。去年尼吉康的工作人員就向我們解釋說，汽車和5G會成為尼吉康未來的發(fā)展重點。

　　尼吉康的鋁電解電容器在市場上還是相當知名的，在汽車領域的布局也比較廣泛，我們在先前的文章中也比較詳細地介紹過。對于薄膜電容器，尼吉康是將其作為業(yè)務成長潛力對待的。尼吉康恰好是觀察EV市場發(fā)展中，電容器技術趨勢的一個最佳窗口。

　　在薄膜電容器方面，尼吉康官方介紹中列出的主要就是面向EV、針對逆變器的濾波電容，“薄膜電容器在高電壓上的應用很理想”;而尼吉康傳統(tǒng)強項的鋁電解電容則“針對低中電壓更為理想”，這兩種電容器的配合，實現(xiàn)了面向電動車和各類需求。

　　這家公司現(xiàn)有的的薄膜電容器產(chǎn)品已經(jīng)應用在了電動車、混合動力車、高鐵等傳動系統(tǒng)領域。尼吉康很早之前就認為，薄膜電容器作為EV驅動發(fā)動機用逆變器的關鍵部件，未來隨EV的普及，薄膜電容器在日本和海外的采用率會增大。所以去年尼吉康的工程師就告訴我們，針對薄膜電容器，尼吉康有在宿遷建立新廠，以及在日本草津做增產(chǎn)的計劃。

　　實際早在2011年，尼吉康就在宿遷開設了工廠專門制造和銷售鋁電解電容器。這次則是針對薄膜電容器制造，也要在宿遷工廠開工?？紤]到汽車會成為尼吉康的重點發(fā)展對象，薄膜電容器應該也會是尼吉康未來實現(xiàn)業(yè)績增長的熱點。

　　上個月月初，尼吉康（宿遷）有限公司薄膜電容器項目投產(chǎn)，計劃總投資5.1億元人民幣，著力于新能源車用薄膜電容器，面向中國一線興能源汽車整車制造商——這也是及尼康在日本以外的市場布局的第一條薄膜電容器生產(chǎn)線。

　　尼吉康在去年年報中提到，預期電動及混合動力車所用馬達驅動逆變器所需的薄膜電容，銷售額將會翻番。從統(tǒng)計機構的數(shù)據(jù)，以及在電容器市場上更具代表性的尼吉康的決策及EV市場變化，便不難發(fā)現(xiàn)薄膜電容器未來的市場空間有多大。