半导体的进步需要创新的滤波方法

在某种程度上，xEV 的增长是由这些类型车辆的更多可用性以及来自政府的压力推动的，这些政府将车辆的更大程度的电气化视为实现其承诺的具有挑战性的碳减排目标的一种方式。然而，在与 xEV 相关的所谓“里程焦虑”得到解决之前，这种增长将保持一定程度。克服范围焦虑所需的整体效率提升不仅仅来自创新的电源转换拓扑，还需要仔细考虑和选择组件，以最大限度地减少自身的损失。

虽然汽油动力汽车很容易加油，但 xEV 的充电基础设施有点闲置，让司机担心在旅途中电量耗尽。因此，汽车设计师面临的一个关键挑战是提供更大的电池续航里程。增加电池尺寸会增加重量和成本，因此通常会弄巧成拙。因此，xEV 中消耗能量的每个组件都需要提供高效率，以允许车辆在一次充电后行驶更远。

宽带隙 (WBG) 革命

近年来，基于硅的半导体器件得到了显着改进，并且能够提供可接受的高效运行水平。然而，在许多关键应用领域（包括 xEV），即使是最好的现代 MOSFET 和 IGBT 也会出现损耗，这对车辆的续航里程有显着影响。

关于 WBG 材料（例如碳化硅 (SiC)）的优势，已经有很多文章，这些材料能够在比硅材料更高的频率和温度下工作。凭借更低的静态损耗 (R DS(on) ) 和更低的栅极电荷 (Q g )，可降低开关损耗，WBG 正在开启电力电子领域的新时代。

汽车设计师不断尝试在 xEV 设计中减小尺寸和减轻重量。由于其较低的运行损耗，需要较少的热管理，并且较高的运行频率允许减小相关磁性元件和电容器的尺寸（和成本）。虽然 SiC 器件的成本高于其硅器件，但磁性元件和电容器的成本节省抵消了这一点，允许以不高于（有时低于）等效硅设计的 BOM 成本构建基于 SiC 的电源解决方案。

UnitedSiC最近推出了他们的第四代（第 4 代）SiC 技术，该技术包括基于高密度沟槽 SiC JFET 结构的符合 AEC-Q101 的 750V 额定 SiC JFET 器件。它与低压硅 MOSFET 共同封装以形成共源共栅布置。由于 JFET 元件紧凑，因此与面积相比实现了极低的导通电阻值 (1.26 mΩ-cm 2 )。

这种新器件 (UJ4C075018K4S) 的体二极管呈现出有趣的正向压降 (V FSD ) 和反向恢复电荷 (Q RR ) 值。这是由于 SiC 芯片变薄，从而有利于电学和热学特性。当该管芯连接到铜 (Cu) 引线框架时，会使用银 (Ag) 烧结材料，因为其导热性比传统焊料好得多。最终，好处是结壳热阻降低，与竞争器件相比，软开关应用中的运行速度要快得多。

由于第 4 代设备支持 750V 运行，因此它们可用于更小的 xEV，例如个人车辆，而无需指定具有 900V 或 1200V 额定值的昂贵设备，从而在成本过高的情况下提供 SiC 的优势。

高频操作和尺寸减小的挑战

车辆变得越来越复杂和精密，因此，电子内容比以往任何时候都多。凭借数十个（如果不是数百个）电子控制单元 (ECU) 和复杂的车载信息娱乐 (IVI) 系统，车辆的正确和安全运行依赖于对电噪声的有效抑制。xEV 中的大量开关电流使这一挑战变得更加困难，而且需要为车辆到一切 (V2X) 通信实施敏感的通信设备，这进一步加剧了这一挑战。

在包括 xEV 在内的电子设计的各个方面，小型化是设计人员的关键目标。虽然这带来了改进的人体工程学、增强的性能和降低的成本，但它也可能导致实现这一目标所需的小型组件的可靠性问题。

随着越来越多的设备被装入更小的空间，对电噪声/干扰的敏感性增加。这对于 WBG 设备来说是一个特殊的挑战，因为频率升高需要更复杂的设计才能满足监管机构的发射标准。

用于在恶劣环境中抑制 EMI 的电容器技术

新材料和改进的制造工艺是电容器制造商应对 EMI 抑制挑战的两种方式。这种方法增强了在通常会降低可靠性和/或性能的挑战性条件下运行的能力。然而，即使采用这些新方法，在高温、潮湿和偏置 (THB) 条件下提供可靠性和性能仍然是一个挑战。

金属化聚丙烯薄膜（MKP）由于其电气性能和自愈能力，是一种重要的EMI抑制电容器材料。然而，由于锌金属化中的电化学腐蚀，高水平的 THB 会加速降解。

由于在高 THB 下运行变得越来越必要，IEC 60384-14 等标准定义了满足要求的测试方法。这些测试在汽车、能源、消费和工业应用等行业中很常见，可用于评估在长达 25 年的恶劣条件下的运行情况。

KEMET 多年来一直致力于开发能够满足这些严格测试的电容器技术，同时满足设计人员和最终用户的小型化和可靠性要求。第一个恶劣环境解决方案是 F862、X2，这是一种基于 MKP 的技术，获得了 AEC-Q200 汽车使用认证。此后的迭代（F863、X2）为面向消费者的应用程序提供了更紧凑、更具成本效益的解决方案。

适用于恶劣环境的最新一代 EMI 抑制电容器是新型 R52、X2 器件。该技术不仅超越了之前的所有解决方案，还通过了 IEC 60384-14 的 IIB 类稳健性测试，在 85°C 和 85% RH 下达到了 500 小时的额定电压，如图 1 所示。

图 1：THB 测试期间的 R52 电容漂移

将引线间距为 15 mm 的 KEMET 0.47μF R52 器件与市场上的其他器件进行比较，表明 R52 器件的体积比目前可用的任何其他 X2 解决方案小至少 60%。

R52 技术适用于电容值高达 22μF 的大电流使用，允许它在需要的地方与电源电压保持一致并跨越电源电压使用。

图 2：R52 在不同频率下的电流能力

如图 2 所示，R52 技术提供了对广泛频率的滤波，使其非常适用于变频驱动器 (VFD) 和 xEV 快速充电系统以及电力线通信。

概括

毫无疑问，WBG / SiC 等半导体技术创新将因其提供的性能优势而被广泛采用，尤其是在高功率应用中。然而，现代设计的更高工作频率和紧凑性，以及在恶劣环境中长时间工作的需要，给组件制造商带来了重大挑战。KEMET 的 R52 EMI 抑制电容器是一种在超高电容设备中平衡可靠性和小型化的解决方案，完全有资格在恶劣环境中使用。

审核编辑 黄昊宇