作者： YAGEO Group旗下企業(yè) KEMET 高級副總裁兼首席技術官 Phil Lessner 博士， UnitedSiC 工程副總裁 Anup Bhalla 博士
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提高效率是許多設計的重要考慮因素，尤其是可再生能源和新型電動汽車 (xEV) 等高功率應用。在汽車應用中，提高效率可降低熱管理需求，進一步增大續(xù)航里程。提高效率的一個關鍵推動技術是采用寬帶隙 (WBG) 半導體技術，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對嚴苛環(huán)境。它們同時也能夠在更高頻率下運行，可以減小系統(tǒng)尺寸和重量，但這帶來了系統(tǒng)濾波方面的挑戰(zhàn)。
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電動汽車對于高效率的需求
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在某種程度上，各式電動汽車（xEV）的市場增長是由于這些類型車輛的更多選擇以及來自政府的壓力所推動，更高程度的車輛電氣化被認為是實現(xiàn)具有挑戰(zhàn)性碳減排目標承諾的一種方式。然而，如果不解決與 xEV 相關的所謂“里程焦慮”問題，電動汽車的發(fā)展將會在一定程度上保持低迷?？朔锍探箲]問題需要提升整體效率，這不僅僅需要創(chuàng)新的功率轉換拓撲架構，還要仔細考慮和選擇能夠最大限度地減少自身損耗的組件。
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以汽油為燃料的汽車很容易加油，但xEV 的充電基礎設施則有些奇缺，使電動汽車司機非常擔心在旅途中電池沒電。因此，電動汽車設計人員面臨的一個關鍵挑戰(zhàn)是提供更遠的電池續(xù)航里程。但如果增大電池尺寸同時會增加重量和成本，通常會弄巧成拙。因此，xEV 中消耗能量的每個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路程。
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寬帶隙技術革命
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近年來，基于硅的半導體技術有了顯著改進，能夠提供可接受的能效水平。然而，在許多關鍵應用領域（包括 xEV）中，即便是最好的當代 MOSFET 和 IGBT 也會出現(xiàn)明顯的損耗，對車輛續(xù)航里程產(chǎn)生非常不利的影響。
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關于碳化硅 （SiC）等寬帶隙（WBG）材料的好處，相關的文章已經(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)，可降低開關損耗，因而WBG 器件正在引領電力電子領域的新紀元。
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電動汽車汽車設計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，同時在更高頻率運行也可以減小相關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（有時低于）同類硅設計的 BOM 成本構建基于 SiC 的功率解決方案。
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UnitedSiC 最近推出了第四代SiC 技術，其中包括基于高密度溝槽 SiC JFET 架構，且符合 AEC-Q101 標準的 750V 級 SiC JFET 器件，它與低壓硅 MOSFET 共同封裝以形成級聯(lián)（cascode）排列。由于 JFET 元件非常緊湊，因此能夠實現(xiàn)與其面積相比數(shù)量極低的導通電阻值 (1.26 mΩ-cm2)。
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新器件 (UJ4C075018K4S) 的體二極管在正向壓降 (VFSD) 和反向恢復電荷 (QRR) 方面也有令人印象深刻的性能表現(xiàn)，這是由于 SiC 裸片的變薄對電氣和熱性能都有好處。當該芯片連接到銅 (Cu) 引線框架時，會使用銀 (Ag) 燒結材料，使其導熱性比傳統(tǒng)焊料好很多。最終的好處是降低了結殼熱阻，與競爭器件相比，在軟開關應用中的運行速度更快。
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由于第四代器件支持 750V 操作，因而它們可用于個人車輛等小型xEV，而無需采用額定電壓為 900V 或 1200V 的昂貴器件，從而既可以提供 SiC 的優(yōu)勢，而又不會產(chǎn)生高昂的成本。
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高頻運行和尺寸減小帶來的挑戰(zhàn)
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車輛正在變得越來越復雜和精密，因此具有比以往數(shù)量更多的電子設備。由于車輛具有數(shù)十個（或者數(shù)百個）電子控制單元 (ECU) 和復雜的車載信息娛樂 (IVI) 系統(tǒng)，車輛的正確和安全運行依賴于對電噪聲的有效抑制，但xEV 中的大量開關電流使這一挑戰(zhàn)變得更加難以應對，并且由于需要為車聯(lián)網(wǎng) (V2X) 實施敏感的通信設備，這進一步加劇了這一挑戰(zhàn)。
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包括 xEV 在內(nèi)，當今所有電子產(chǎn)品設計的各個方面中，小型化是設計人員的重要目標。雖然這能夠帶來人體工程學的進一步改善，實現(xiàn)更強的性能和更低的成本，但小型化也可能導致實現(xiàn)這一目標所需小型組件的可靠性問題。
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由于越來越多元器件被集成到更小空間，電子設備對電氣噪聲/干擾的敏感性會增大。對于WBG器件來說，這是一個特殊的挑戰(zhàn)，因為高頻運行需要更復雜的設計才能滿足監(jiān)管機構的電磁輻射標準。
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在嚴苛環(huán)境中抑制 EMI 的電容器技術
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采用新材料和更先進的制造工藝是電容器制造商應對 EMI挑戰(zhàn)的兩種方式，這些方法能夠增強設備在極具挑戰(zhàn)性條件下運行的能力，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巨大挑戰(zhàn)。
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金屬化聚丙烯薄膜（MKP）具有獨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腐蝕，過高水平的 THB 會加速性能降級。
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由于在高 THB 下運行變得越來越必要，IEC 60384-14 等標準定義了滿足相應要求的測試方法。這些測試在汽車、能源、消費和工業(yè)應用等行業(yè)中很常見，可用于評估在嚴苛條件下長達 25 年的運行情況。
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KEMET 多年來一直在致力于開發(fā)能夠滿足這些嚴格測試要求的電容器技術，同時具備設計人員和最終用戶所需的小型化和可靠性。第一個嚴苛環(huán)境解決方案是 F862，X2，這是一種基于 MKP 的技術，已經(jīng)獲得汽車行業(yè)AEC-Q200 認證。該技術的最新版本（F863、X2）可為面向消費市場的應用提供更緊湊、更具成本效益的解決方案。
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KEMET適用于嚴苛環(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，還通過了 IEC 60384-14 的 IIB 級穩(wěn)健性測試，在 85℃ 和 85% RH 下，以額定電壓實現(xiàn)了 500小時運行，如圖 2 所示。
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將具有 15 mm 引線間距的 KEMET 0.47μF R52 器件與市場上的其他同類器件進行比較表明，R52 器件的體積比目前市場已有任何其他 X2 解決方案至少小 60%。
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R52 技術適用于電容值高達 22μF 的大電流應用，可在需要時與電源電壓保持一致或跨接使用。
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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動器 (VFD) 和 xEV 快速充電系統(tǒng)，以及電力線通信等應用。
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總結
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毫無疑問，WBG/SiC 等半導體技術的創(chuàng)新將因其能夠提供的性能優(yōu)勢而被廣泛采用，尤其是高功率應用。然而，在這些最新設計中，更高的工作頻率和緊湊性，以及在嚴苛環(huán)境中的長時間運行需求，對組件制造商提出了重大挑戰(zhàn)。
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KEMET 的 R52 EMI抑制電容器是業(yè)界率先面市的解決方案，能夠實現(xiàn)超高電容器件可靠性和小型化之間的絕佳平衡，同時完全滿足嚴苛環(huán)境運行要求。因此，無論動力總成系統(tǒng)的設計采用何種方案，United SiC 和 KEMET 都能夠提供滿足設計人員需求的知識和技術。