半導(dǎo)體的進(jìn)步需要?jiǎng)?chuàng)新的濾波方法

在某種程度上，xEV 的增長是由這些類型車輛的更多可用性以及來自政府的壓力推動(dòng)的，這些政府將車輛的更大程度的電氣化視為實(shí)現(xiàn)其承諾的具有挑戰(zhàn)性的碳減排目標(biāo)的一種方式。然而，在與 xEV 相關(guān)的所謂“里程焦慮”得到解決之前，這種增長將保持一定程度。克服范圍焦慮所需的整體效率提升不僅僅來自創(chuàng)新的電源轉(zhuǎn)換拓?fù)?，還需要仔細(xì)考慮和選擇組件，以最大限度地減少自身的損失。

雖然汽油動(dòng)力汽車很容易加油，但 xEV 的充電基礎(chǔ)設(shè)施有點(diǎn)閑置，讓司機(jī)擔(dān)心在旅途中電量耗盡。因此，汽車設(shè)計(jì)師面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是提供更大的電池續(xù)航里程。增加電池尺寸會(huì)增加重量和成本，因此通常會(huì)弄巧成拙。因此，xEV 中消耗能量的每個(gè)組件都需要提供高效率，以允許車輛在一次充電后行駛更遠(yuǎn)。

寬帶隙 (WBG) 革命

近年來，基于硅的半導(dǎo)體器件得到了顯著改進(jìn)，并且能夠提供可接受的高效運(yùn)行水平。然而，在許多關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域（包括 xEV），即使是最好的現(xiàn)代 MOSFET 和 IGBT 也會(huì)出現(xiàn)損耗，這對車輛的續(xù)航里程有顯著影響。

關(guān)于 WBG 材料（例如碳化硅 (SiC)）的優(yōu)勢，已經(jīng)有很多文章，這些材料能夠在比硅材料更高的頻率和溫度下工作。憑借更低的靜態(tài)損耗 (R DS(on) ) 和更低的柵極電荷 (Q g )，可降低開關(guān)損耗，WBG 正在開啟電力電子領(lǐng)域的新時(shí)代。

汽車設(shè)計(jì)師不斷嘗試在 xEV 設(shè)計(jì)中減小尺寸和減輕重量。由于其較低的運(yùn)行損耗，需要較少的熱管理，并且較高的運(yùn)行頻率允許減小相關(guān)磁性元件和電容器的尺寸（和成本）。雖然 SiC 器件的成本高于其硅器件，但磁性元件和電容器的成本節(jié)省抵消了這一點(diǎn)，允許以不高于（有時(shí)低于）等效硅設(shè)計(jì)的 BOM 成本構(gòu)建基于 SiC 的電源解決方案。

UnitedSiC最近推出了他們的第四代（第 4 代）SiC 技術(shù)，該技術(shù)包括基于高密度溝槽 SiC JFET 結(jié)構(gòu)的符合 AEC-Q101 的 750V 額定 SiC JFET 器件。它與低壓硅 MOSFET 共同封裝以形成共源共柵布置。由于 JFET 元件緊湊，因此與面積相比實(shí)現(xiàn)了極低的導(dǎo)通電阻值 (1.26 mΩ-cm 2 )。

這種新器件 (UJ4C075018K4S) 的體二極管呈現(xiàn)出有趣的正向壓降 (V FSD ) 和反向恢復(fù)電荷 (Q RR ) 值。這是由于 SiC 芯片變薄，從而有利于電學(xué)和熱學(xué)特性。當(dāng)該管芯連接到銅 (Cu) 引線框架時(shí)，會(huì)使用銀 (Ag) 燒結(jié)材料，因?yàn)槠鋵?dǎo)熱性比傳統(tǒng)焊料好得多。最終，好處是結(jié)殼熱阻降低，與競爭器件相比，軟開關(guān)應(yīng)用中的運(yùn)行速度要快得多。

由于第 4 代設(shè)備支持 750V 運(yùn)行，因此它們可用于更小的 xEV，例如個(gè)人車輛，而無需指定具有 900V 或 1200V 額定值的昂貴設(shè)備，從而在成本過高的情況下提供 SiC 的優(yōu)勢。

高頻操作和尺寸減小的挑戰(zhàn)

車輛變得越來越復(fù)雜和精密，因此，電子內(nèi)容比以往任何時(shí)候都多。憑借數(shù)十個(gè)（如果不是數(shù)百個(gè)）電子控制單元 (ECU) 和復(fù)雜的車載信息娛樂 (IVI) 系統(tǒng)，車輛的正確和安全運(yùn)行依賴于對電噪聲的有效抑制。xEV 中的大量開關(guān)電流使這一挑戰(zhàn)變得更加困難，而且需要為車輛到一切 (V2X) 通信實(shí)施敏感的通信設(shè)備，這進(jìn)一步加劇了這一挑戰(zhàn)。

在包括 xEV 在內(nèi)的電子設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，小型化是設(shè)計(jì)人員的關(guān)鍵目標(biāo)。雖然這帶來了改進(jìn)的人體工程學(xué)、增強(qiáng)的性能和降低的成本，但它也可能導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所需的小型組件的可靠性問題。

隨著越來越多的設(shè)備被裝入更小的空間，對電噪聲/干擾的敏感性增加。這對于 WBG 設(shè)備來說是一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)，因?yàn)轭l率升高需要更復(fù)雜的設(shè)計(jì)才能滿足監(jiān)管機(jī)構(gòu)的發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)。

用于在惡劣環(huán)境中抑制 EMI 的電容器技術(shù)

新材料和改進(jìn)的制造工藝是電容器制造商應(yīng)對 EMI 抑制挑戰(zhàn)的兩種方式。這種方法增強(qiáng)了在通常會(huì)降低可靠性和/或性能的挑戰(zhàn)性條件下運(yùn)行的能力。然而，即使采用這些新方法，在高溫、潮濕和偏置 (THB) 條件下提供可靠性和性能仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

金屬化聚丙烯薄膜（MKP）由于其電氣性能和自愈能力，是一種重要的EMI抑制電容器材料。然而，由于鋅金屬化中的電化學(xué)腐蝕，高水平的 THB 會(huì)加速降解。

由于在高 THB 下運(yùn)行變得越來越必要，IEC 60384-14 等標(biāo)準(zhǔn)定義了滿足要求的測試方法。這些測試在汽車、能源、消費(fèi)和工業(yè)應(yīng)用等行業(yè)中很常見，可用于評估在長達(dá) 25 年的惡劣條件下的運(yùn)行情況。

KEMET 多年來一直致力于開發(fā)能夠滿足這些嚴(yán)格測試的電容器技術(shù)，同時(shí)滿足設(shè)計(jì)人員和最終用戶的小型化和可靠性要求。第一個(gè)惡劣環(huán)境解決方案是 F862、X2，這是一種基于 MKP 的技術(shù)，獲得了 AEC-Q200 汽車使用認(rèn)證。此后的迭代（F863、X2）為面向消費(fèi)者的應(yīng)用程序提供了更緊湊、更具成本效益的解決方案。

適用于惡劣環(huán)境的最新一代 EMI 抑制電容器是新型 R52、X2 器件。該技術(shù)不僅超越了之前的所有解決方案，還通過了 IEC 60384-14 的 IIB 類穩(wěn)健性測試，在 85°C 和 85% RH 下達(dá)到了 500 小時(shí)的額定電壓，如圖 1 所示。

圖 1：THB 測試期間的 R52 電容漂移

將引線間距為 15 mm 的 KEMET 0.47μF R52 器件與市場上的其他器件進(jìn)行比較，表明 R52 器件的體積比目前可用的任何其他 X2 解決方案小至少 60%。

R52 技術(shù)適用于電容值高達(dá) 22μF 的大電流使用，允許它在需要的地方與電源電壓保持一致并跨越電源電壓使用。

圖 2：R52 在不同頻率下的電流能力

如圖 2 所示，R52 技術(shù)提供了對廣泛頻率的濾波，使其非常適用于變頻驅(qū)動(dòng)器 (VFD) 和 xEV 快速充電系統(tǒng)以及電力線通信。

概括

毫無疑問，WBG / SiC 等半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新將因其提供的性能優(yōu)勢而被廣泛采用，尤其是在高功率應(yīng)用中。然而，現(xiàn)代設(shè)計(jì)的更高工作頻率和緊湊性，以及在惡劣環(huán)境中長時(shí)間工作的需要，給組件制造商帶來了重大挑戰(zhàn)。KEMET 的 R52 EMI 抑制電容器是一種在超高電容設(shè)備中平衡可靠性和小型化的解決方案，完全有資格在惡劣環(huán)境中使用。

審核編輯 黃昊宇