【導(dǎo)讀】國際能源署（IEA）發(fā)布的《2020 年全球電動汽車前景》報告中的數(shù)據(jù)顯示，2019 年電動汽車的全球銷量突破 210 萬輛，同比增長 40％，全球電動汽車充電樁的數(shù)量也達到了 730 萬個。與此同時在中國，年初提出的“新基建”戰(zhàn)略中，也將電動汽車充電樁的建設(shè)列為重點投資的領(lǐng)域，這使人們對中國這個全球電動汽車最大市場的后市走向充滿了期待。對于 EV 的開發(fā)者來說，這是難得的機遇，也是全新的挑戰(zhàn)。
談到 EV 電氣化系統(tǒng)的創(chuàng)新和升級，以往大家的目光往往會聚焦在主控制單元和功率元器件這些“紅花”上，而對一些外圍元器件——比如電容——的關(guān)注則不是那么多，而實際上這些作為“綠葉”的元器件，會對設(shè)計整體的性能產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。本文將以 Vishay 的薄膜電容在車載充電器上的應(yīng)用為例，與大家深入的探討電動汽車中電容器的選型和應(yīng)用。
從電解電容到薄膜電容
在電容器這個大家族中，鋁電解電容是資歷最老的一位，以往在電力電子領(lǐng)域中的應(yīng)用也非常廣泛。不過，隨著應(yīng)用需求的發(fā)展，電解電容的一些短板也逐漸顯露出來。這時，就需要一個性能更佳的替代方式，這個替代者就是薄膜電容。
與電解電容相比，薄膜電容的性能優(yōu)勢體現(xiàn)在耐壓高、ESR 低、無極性、性能穩(wěn)定、壽命長等方面，這使得其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計更簡化、抗紋波能力更突出、在苛刻環(huán)境中使用更可靠。
圖1：薄膜電容器的性能優(yōu)勢
如果我們將薄膜電容的特性，與電動汽車的使用場景相對比，會發(fā)現(xiàn)兩者有很高的契合度，因此可以說薄膜電容是電動汽車電氣化的理想之選！當(dāng)然，一顆可以“上車”使用的電容，還必須滿足更為嚴(yán)苛的車規(guī)（如 AEC-Q200）的約束，以及滿足在更惡劣環(huán)境中使用的測試規(guī)范，因此我們就需要沿著這樣的思路去進行選型和應(yīng)用。
OBC中的薄膜電容
具體到電動汽車中的車載充電器（On-Board Charger，OBC），如何在設(shè)計中發(fā)揮出薄膜電容的性能優(yōu)勢呢？
圖2：OBC在電動汽車中的作用
一個 OBC 系統(tǒng)通常包括兩個主要的部分：將交流市電變成直流電的整流器電路，以及生成充電所需直流電壓的 DC-DC 功率變化器。在這個過程中，可供薄膜電容施展身手的應(yīng)用場景包括：
● EMI 濾波
● DC-LINK
● 輸出濾波
● 諧振腔
圖3：薄膜電容在OBC中的應(yīng)用場景
對于這些應(yīng)用，Vishay 都有相應(yīng)的薄膜電容產(chǎn)品可供使用。而且特別值得一提的是，所有這些 Vishay 的產(chǎn)品，都通過了 AEC-Q200 車規(guī)認證，并且在很多類別中都特別提供了可供高溫高濕（THB）環(huán)境使用的型號，給開發(fā)者選型提供了更多的自由度。下面我們以幾個重點薄膜電容為例做詳細介紹。
EMI 濾波
為了消除 OBC 在交流輸入端的電磁干擾（EMI）對電網(wǎng)和其他電子設(shè)備的影響，需要在 OBC 的輸入端加入 X 電容和 Y 電容：其中 X 電容主要是濾波作用，并聯(lián)在 L、N 線之間濾除的差模信號；Y 電容接于 L 和地或 N 和地之間，對稱使用，用于共模濾波。
Vishay 可用于 OBC 的 X2 電容包括 MKP339 X2 和 F339 X2，這兩個電容都可以耐受 2.5kV 的脈沖沖擊，而主要的差別在于 MKP339 X2 有相對更廣的容值范圍可供選擇，而 F339 X2 是一顆對高濕環(huán)境耐受力較強的元件，符合 IEC 60384-14: 2013 / AMD1: 2016 grade IIB 規(guī)范，額定電壓下在 85°C，85% 相對濕度（RH）可完成 500 小時測試。
MKP339 X2（左） 和 F339 X2 THB（右）
表1：MKP339 X2 和 F339 X2 電容主要特性比較
表2：IEC 60384-14:2013/AMD1標(biāo)準(zhǔn)一覽
對于用于 EMI 濾波的 Y2 電容，可供選擇的 Vishay 薄膜電容也有兩款，分別是 MKP338 6 Y2 和最新推出的 F340 Y2， F340 Y2 同樣是一顆通過“高濕高可靠性”認證的元件，在溫度 85°C、相對濕度 85%、額定 AC 電壓條件下，經(jīng)過 1000 小時溫濕度偏壓（THB）測試，電容值、損耗因數(shù)和絕緣電阻具有極高穩(wěn)定性，可讓開發(fā)者的設(shè)計在相同的性能下實現(xiàn)更高的魯棒性。
MKP338 6 Y2（左） 和 F340 Y2（右）
表3：MKP338 6 Y2 和 F340 Y2 電容主要特性比較
DC-LINK 直流支撐
在 OBC 中的整流電路和 DC-DC 轉(zhuǎn)化器電路之間，需要一顆 DC-LINK 電容來做電流支撐濾波，其主要作用是吸收 DC-LINK 直流母線端的高脈沖電流，防止在 DC-LINK 的阻抗上產(chǎn)生高脈沖電壓，防止負載端受到過電壓的影響。薄膜電容耐高壓、大容量、無極性等特性非常適合 DC-LINK 濾波應(yīng)用。
Vishay 的 MKP1848 是 DC-LINK 電容的理想之選，它具有最高 400μF 的電容值，低 ESR 和優(yōu)異的抗紋波能力，超過 100,000 小時的使用壽命，以及最高 105℃ 的工作溫度。同樣，Vishay 也提供了一款高濕高可靠的 MKP1848H 系列，滿足溫度 85°C、相對濕度 85%、額定 DC 電壓條件下，1000 小時溫濕度偏壓 (THB) 測試要求。
MKP1848（左） 和 MKP1848H（右）
輸出濾波
為了提升 OBC 直流輸出的瞬態(tài)響應(yīng)特性，需要一顆大容量、低 ESR 的輸出濾波電容。為此，Vishay 提供了 MKT1820 低壓 DC-LINK 薄膜電容，該系列產(chǎn)品最高容值達 560μF，額定電壓可選范圍寬（63Vdc-1000Vdc），同時高溫特性突出，有限時間內(nèi)可在 150°C 下工作。值得一提的是，MKP1848 和 MKP1848H 也可用于 DC 輸出濾波，這使得該應(yīng)用的可選薄膜電容的范圍更廣泛。從表 3 中，可以看到這幾個 DC-LINK 電容的特性比較。
MKT1820
表4：MKP1848、MKP1848H 和 MKT1820 電容主要特性比較
諧振腔
除了上述的薄膜電容產(chǎn)品，Vishay 在 2019 年末推出的交流和脈沖金屬化聚丙烯薄膜電容器 MKP385e，憑借高度穩(wěn)定的脈沖強度和紋波電流性能，成為 OBC 諧振轉(zhuǎn)換器電路的理想之選。
MKP385e 系列 從 400VDC 至 2500VDC 提供八種額定電壓，額定電壓 630VDC 以下電容器采用單體結(jié)構(gòu)，630VDC 以上產(chǎn)品采用系列薄膜結(jié)構(gòu)，電容器額定容量為 0.001 µF 至 15µF，ESR 低至 4mW，抗紋波電流能力高達 19.3A。可靠性方面，MKP385e 最高工作溫度達 125°C，額定電壓下 60°C、93% RH 溫濕度及偏壓（THB）測試長達 56 天，符合 IEC 60384-17 和 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)（D 版）。
MKP385e
我們將上述 Vishay 薄膜電容在中的 OBC 中的應(yīng)用做一個歸納，供大家參考。
圖4：Vishay 薄膜電容在中的 OBC 中的應(yīng)用
通過以上的介紹，我們可以看出，憑借自身的特性優(yōu)勢，在電動汽車領(lǐng)域薄膜電容取代傳統(tǒng)的電解電容，已經(jīng)是大勢所趨。由于工程師們已經(jīng)看到了薄膜電容的諸多優(yōu)勢，尤其是在汽車相關(guān)設(shè)計中，薄膜電容替代電解電容這一趨勢尤為明顯。讀懂這個趨勢，你的設(shè)計才真正能夠經(jīng)得住市場的推敲。
推薦閱讀：
