作者： YAGEO Group旗下企業(yè) KEMET 高級(jí)副總裁兼首席技術(shù)官 Phil Lessner 博士， UnitedSiC 工程副總裁 Anup Bhalla 博士
?
?
提高效率是許多設(shè)計(jì)的重要考慮因素，尤其是可再生能源和新型電動(dòng)汽車 (xEV) 等高功率應(yīng)用。在汽車應(yīng)用中，提高效率可降低熱管理需求，進(jìn)一步增大續(xù)航里程。提高效率的一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)技術(shù)是采用寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體技術(shù)，這種器件不僅可以顯著降低損耗，還可以提高工作溫度以應(yīng)對(duì)嚴(yán)苛環(huán)境。它們同時(shí)也能夠在更高頻率下運(yùn)行，可以減小系統(tǒng)尺寸和重量，但這帶來(lái)了系統(tǒng)濾波方面的挑戰(zhàn)。
?

?
電動(dòng)汽車對(duì)于高效率的需求
?
在某種程度上，各式電動(dòng)汽車（xEV）的市場(chǎng)增長(zhǎng)是由于這些類型車輛的更多選擇以及來(lái)自政府的壓力所推動(dòng)，更高程度的車輛電氣化被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性碳減排目標(biāo)承諾的一種方式。然而，如果不解決與 xEV 相關(guān)的所謂“里程焦慮”問(wèn)題，電動(dòng)汽車的發(fā)展將會(huì)在一定程度上保持低迷。克服里程焦慮問(wèn)題需要提升整體效率，這不僅僅需要?jiǎng)?chuàng)新的功率轉(zhuǎn)換拓?fù)浼軜?gòu)，還要仔細(xì)考慮和選擇能夠最大限度地減少自身?yè)p耗的組件。
?
以汽油為燃料的汽車很容易加油，但xEV 的充電基礎(chǔ)設(shè)施則有些奇缺，使電動(dòng)汽車司機(jī)非常擔(dān)心在旅途中電池沒(méi)電。因此，電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)人員面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是提供更遠(yuǎn)的電池續(xù)航里程。但如果增大電池尺寸同時(shí)會(huì)增加重量和成本，通常會(huì)弄巧成拙。因此，xEV 中消耗能量的每個(gè)組件都需要具備更高水平的能效，以使車輛一次充電即可行駛更遠(yuǎn)路程。
?
寬帶隙技術(shù)革命
?
近年來(lái)，基于硅的半導(dǎo)體技術(shù)有了顯著改進(jìn)，能夠提供可接受的能效水平。然而，在許多關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域（包括 xEV）中，即便是最好的當(dāng)代 MOSFET 和 IGBT 也會(huì)出現(xiàn)明顯的損耗，對(duì)車輛續(xù)航里程產(chǎn)生非常不利的影響。
?
關(guān)于碳化硅 （SiC）等寬帶隙（WBG）材料的好處，相關(guān)的文章已經(jīng)討論很多，這些材料能夠在比硅器件更高的頻率和溫度下工作，具備較低的靜態(tài)損耗 (R_DS(on)) 和較低柵極電荷 (Qg)，可降低開關(guān)損耗，因而WBG 器件正在引領(lǐng)電力電子領(lǐng)域的新紀(jì)元。
?
電動(dòng)汽車汽車設(shè)計(jì)師在不斷嘗試減小組件的尺寸和重量。由于SiC 器件工作損耗較低，因此只需要較少的熱管理，同時(shí)在更高頻率運(yùn)行也可以減小相關(guān)磁性元件和電容器的尺寸和成本。雖然 SiC 器件的成本高于同類硅器件，但在磁性元件和電容器方面的成本節(jié)省完全可以抵消這些，因而能夠以不高于（有時(shí)低于）同類硅設(shè)計(jì)的 BOM 成本構(gòu)建基于 SiC 的功率解決方案。
?
UnitedSiC 最近推出了第四代SiC 技術(shù)，其中包括基于高密度溝槽 SiC JFET 架構(gòu)，且符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的 750V 級(jí) SiC JFET 器件，它與低壓硅 MOSFET 共同封裝以形成級(jí)聯(lián)（cascode）排列。由于 JFET 元件非常緊湊，因此能夠?qū)崿F(xiàn)與其面積相比數(shù)量極低的導(dǎo)通電阻值 (1.26 mΩ-cm2)。
?
新器件 (UJ4C075018K4S) 的體二極管在正向壓降 (VFSD) 和反向恢復(fù)電荷 (QRR) 方面也有令人印象深刻的性能表現(xiàn)，這是由于 SiC 裸片的變薄對(duì)電氣和熱性能都有好處。當(dāng)該芯片連接到銅 (Cu) 引線框架時(shí)，會(huì)使用銀 (Ag) 燒結(jié)材料，使其導(dǎo)熱性比傳統(tǒng)焊料好很多。最終的好處是降低了結(jié)殼熱阻，與競(jìng)爭(zhēng)器件相比，在軟開關(guān)應(yīng)用中的運(yùn)行速度更快。
?
? ?
由于第四代器件支持 750V 操作，因而它們可用于個(gè)人車輛等小型xEV，而無(wú)需采用額定電壓為 900V 或 1200V 的昂貴器件，從而既可以提供 SiC 的優(yōu)勢(shì)，而又不會(huì)產(chǎn)生高昂的成本。
?
高頻運(yùn)行和尺寸減小帶來(lái)的挑戰(zhàn)
?
車輛正在變得越來(lái)越復(fù)雜和精密，因此具有比以往數(shù)量更多的電子設(shè)備。由于車輛具有數(shù)十個(gè)（或者數(shù)百個(gè)）電子控制單元 (ECU) 和復(fù)雜的車載信息娛樂(lè) (IVI) 系統(tǒng)，車輛的正確和安全運(yùn)行依賴于對(duì)電噪聲的有效抑制，但xEV 中的大量開關(guān)電流使這一挑戰(zhàn)變得更加難以應(yīng)對(duì)，并且由于需要為車聯(lián)網(wǎng) (V2X) 實(shí)施敏感的通信設(shè)備，這進(jìn)一步加劇了這一挑戰(zhàn)。
?
包括 xEV 在內(nèi)，當(dāng)今所有電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)方面中，小型化是設(shè)計(jì)人員的重要目標(biāo)。雖然這能夠帶來(lái)人體工程學(xué)的進(jìn)一步改善，實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的性能和更低的成本，但小型化也可能導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)所需小型組件的可靠性問(wèn)題。
?
由于越來(lái)越多元器件被集成到更小空間，電子設(shè)備對(duì)電氣噪聲/干擾的敏感性會(huì)增大。對(duì)于WBG器件來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)特殊的挑戰(zhàn)，因?yàn)楦哳l運(yùn)行需要更復(fù)雜的設(shè)計(jì)才能滿足監(jiān)管機(jī)構(gòu)的電磁輻射標(biāo)準(zhǔn)。
?
在嚴(yán)苛環(huán)境中抑制 EMI 的電容器技術(shù)
?
采用新材料和更先進(jìn)的制造工藝是電容器制造商應(yīng)對(duì) EMI挑戰(zhàn)的兩種方式，這些方法能夠增強(qiáng)設(shè)備在極具挑戰(zhàn)性條件下運(yùn)行的能力，而不致于降低可靠性和/或系統(tǒng)性能。然而，即使采用這些新方法，在高溫、高濕和偏壓 (THB) 條件下，保障系統(tǒng)提供足夠的可靠性和性能仍然是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
?
金屬化聚丙烯薄膜（MKP）具有獨(dú)特的電氣特性和自愈能力，因而是一種重要的EMI抑制電容器材料。但由于鋅金屬化中的電化學(xué)腐蝕，過(guò)高水平的 THB 會(huì)加速性能降級(jí)。
?
由于在高 THB 下運(yùn)行變得越來(lái)越必要，IEC 60384-14 等標(biāo)準(zhǔn)定義了滿足相應(yīng)要求的測(cè)試方法。這些測(cè)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(píng)估在嚴(yán)苛條件下長(zhǎng)達(dá) 25 年的運(yùn)行情況。
?
KEMET 多年來(lái)一直在致力于開發(fā)能夠滿足這些嚴(yán)格測(cè)試要求的電容器技術(shù)，同時(shí)具備設(shè)計(jì)人員和最終用戶所需的小型化和可靠性。第一個(gè)嚴(yán)苛環(huán)境解決方案是 F862，X2，這是一種基于 MKP 的技術(shù)，已經(jīng)獲得汽車行業(yè)AEC-Q200 認(rèn)證。該技術(shù)的最新版本（F863、X2）可為面向消費(fèi)市場(chǎng)的應(yīng)用提供更緊湊、更具成本效益的解決方案。
?
KEMET適用于嚴(yán)苛環(huán)境的最新一代 EMI 抑制電容器是全新的 R52、X2 器件，它不僅超越了之前的所有解決方案，還通過(guò)了 IEC 60384-14 的 IIB 級(jí)穩(wěn)健性測(cè)試，在 85℃ 和 85% RH 下，以額定電壓實(shí)現(xiàn)了 500小時(shí)運(yùn)行，如圖 2 所示。
?
? ?
將具有 15 mm 引線間距的 KEMET 0.47μF R52 器件與市場(chǎng)上的其他同類器件進(jìn)行比較表明，R52 器件的體積比目前市場(chǎng)已有任何其他 X2 解決方案至少小 60%。
?
R52 技術(shù)適用于電容值高達(dá) 22μF 的大電流應(yīng)用，可在需要時(shí)與電源電壓保持一致或跨接使用。
?
? ?
如圖 3 所示，R52 元件可在廣泛的頻率范圍內(nèi)提供濾波功能，使其非常適合用于變頻驅(qū)動(dòng)器 (VFD) 和 xEV 快速充電系統(tǒng)，以及電力線通信等應(yīng)用。
?
總結(jié)
?
毫無(wú)疑問(wèn)，WBG/SiC 等半導(dǎo)體技術(shù)的創(chuàng)新將因其能夠提供的性能優(yōu)勢(shì)而被廣泛采用，尤其是高功率應(yīng)用。然而，在這些最新設(shè)計(jì)中，更高的工作頻率和緊湊性，以及在嚴(yán)苛環(huán)境中的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行需求，對(duì)組件制造商提出了重大挑戰(zhàn)。
?
KEMET 的 R52 EMI抑制電容器是業(yè)界率先面市的解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)超高電容器件可靠性和小型化之間的絕佳平衡，同時(shí)完全滿足嚴(yán)苛環(huán)境運(yùn)行要求。因此，無(wú)論動(dòng)力總成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用何種方案，United SiC 和 KEMET 都能夠提供滿足設(shè)計(jì)人員需求的知識(shí)和技術(shù)。