別讓直流鏈電容成為電源轉換器設計中脆弱的環節

直流 (DC) 鏈電容是許多應用的關鍵元件,包括電動車 (EV) 馬達驅動用的三相逆變器、光電與風電逆變器、工業馬達驅動、車載充電器、醫療或工業設備用的電源供應器。跟上最新發展相當重要。若未正確實作,直流鏈電容會成為「脆弱環節」而降低能量密度與可靠度。

不巧的是,對設計人員來說,與半導體技術迅速進展不同的是,電容技術的進展相對緩慢且遭到忽視。難上加難的是,多種電容技術的進展速度也各有不同:鋁電解電容是較成熟且演進緩慢的技術,薄膜電容與積層陶瓷電容 (MLCC) 則進展較為快速。鋁電解電容相較於薄膜電容與 MLCC,通常可提供較高的每單位體積電容量,以及更高的能量密度,但折衷的層面卻不固定。

舉例而言,用更高頻的裝置升級電源開關,例如用 MOSFET 取代 IGBT,或用寬能隙 (WBG) 電源開關取代矽裝置等,都是讓過去的選擇重新考量直流鏈電容的良好時機。每項直流鏈電容技術都提供獨特的能力組合 (圖 1)。

圖 1:直流鏈電容比較圖顯示主要技術之間的電壓與電容量比較。TDK 的 CeraLink 電容是針對直流鏈應用進行最佳化的 MLCC。(圖片來源: TDK Corporation)

鋁電解電容是最常見的直流鏈電容。可兼顧高能量密度與低成本。通常用於工業馬達驅動、不斷電系統 (UPS),以及多種消費性、商業與工業應用。然而,對於較高要求的應用來說,鋁電解電容因為使用壽命相對較短且採用低頻操作,因此不在考量範圍內。

薄膜電容常見於高要求應用的直流鏈元件中,例如電動車的牽引驅動器。薄膜電容相較於鋁電解電容,有更高可靠度、高電流導通能力、較低等效串聯電阻 (ESR),並可在更高頻率操作。但就像鋁電解電容一樣,薄膜電容的工作溫度也相對較低,大約 105°C。

MLCC 提供第三個可能性。這些電容有更高的均方根 (rms) 電流額定值,比起其他電容,可耐受更高的溫度。缺點在於,需要較大量的 MLCC才能達到指定的能量密度,因此要實作可確保同等電流分佈的電容佈局有所難度。除此之外,MLCC 還有可靠度的問題;陶瓷介電材料質地硬,會因為機械性或熱應力而破裂,進而導致端子之間短路。

很明顯地,可一體適用所有直流鏈應用的「完美」電容技術並不存在。為了達到適合指定專案的最佳設計方案,您要查看最新的技術進展與產品開發資訊。因此,我們來考量一些具有代表性裝置類型的折衷與能力,包括 Cornell Dubilier Electronics 的鋁電解電容、KEMET 的薄膜電容,以及 TDK Corporation 的 MLCC。

高漣波設計用的電解質

對於具有高漣波電流的應用,您可使用 Cornell Dubilier Electronics 的 381LR 系列,其可用於 200 至 450 VDC、56 至 2,200 μF,且相較於標準 105°C 扣入式鋁電解電容,可處理的漣波電流至少多出 25% (圖 2)。電解質配方近期的進展對於達到低 ESR 有關鍵作用,能讓電容具備漣波電流處理能力。這表示馬達驅動器、不斷電系統 (UPS) 及其他高漣波電流應用所需的電容更少。

圖 2:381LR 鋁電解電容的額定值可用於 200 至 450 VDC、56 至 2200 μF。(圖片來源:Jeff Shepard,依據 Cornell Dubilier Electronics 提供的原始材料)

汽車牽引驅動器用的薄膜電容

若您要設計嚴峻環境用的系統,例如汽車牽引驅動器,KEMET 的 直流鏈 C4AK 薄膜電容可在 125°C 下具有 4,000 小時使用壽命,在 135°C 下則有 1,000 小時壽命,因此是優良的選項之一 (圖 1)。這些元件適合緊湊系統設計,採用輻射方塊樣式,適合 PC 板安裝,並採用薄型設計,因此可使用較少電容,即可處理峰值與漣波電流。

圖 3:KEMET 的直流鏈 C4AK 薄膜電容系列在 125°C 下具有 4,000 小時使用壽命,在 135°C 下則有 1,000 小時。(圖片來源:KEMET)

C4AK 直流鏈電容的設計可用於高頻、高電流 EV 系統電源轉換器、光電與燃料電池逆變器、儲能系統、無線電力傳輸,以及其他工業應用。

快速 WBG 半導體用的 MLCC

使用 WBG 時,TDK Corporation 的 CeraLink FA (撓性組件) 系列可提供適合的解決方案。此系列的電容量從 0.25 μF 至最高 10 μF,額定電壓介於 500 至 900 VDC 之間。以 B58035U9255M001 為例,其額定值為 2.5 μF 與 900 V (圖 4)。CeraLink 系列涵蓋眾多元件,皆經過最佳化,可當作直流鏈電容使用,特點包括:

  • 每立方公分 (cm³) 的電容量密度介於 2 至 5 μF。
  • 低自感介於 2.5 至 4 nH
  • 可放置在相當靠近半導體電源裝置的位置,工作溫度可高達 150°C (時間受限)
  • 沒有電壓迴轉率 (dV/dt) 的限制

圖 4:B58035U9255M001 隸屬於 TDK Corporation 的 CeraLink FA 系列,是 2.5 μF、900 V 的 MLCC 堆疊。(圖片來源:TDK Corporation)

FA 系列電容的寬度為 9.1 mm、高度為 7.4 mm,長度則提供 6.3 mm、9.3 mm 與 30.3 mm。具有高達 47 Arms 的漣波電流能力。

結論

挑選直流鏈電容是設計電源轉換器時相當重要的一環。如本文所述,可行的品項有相當多種,且不斷改變。若挑選不慎,可能會導致電源轉換器不符期待,或成本太貴。為了避免挑選不適合的產品,必須時常關注直流鏈電容技術與產品的最新發展。

關於作者

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Jeff 過去 30 多年來不斷撰寫與電力電子、電子元件和其他技術主題有關的文章。他在 EETimes 擔任資深編輯時,開始編寫有關電力電子領域的文章。他之後創立專門報導電子設計的《Powertechniques》雜誌,接著更成立一家全球性的電力電子研究與出版公司 Darnell Group。Darnell Group 的業務範疇包括 PowerPulse.net 的發行,每天為全球電力電子工程社群提供最新消息。他也是切換式電源供應器教科書《Power Supplies》的作者,此書由 Reston division of Prentice Hall 出版。

Jeff 也是 Jeta Power Systems 的共同創辦人,該公司專門製造高功率切換式電源供應器,目前已由 Computer Products 併購。Jeff 也是發明家,在熱能採集與光學多重材料上擁有 17 項美國專利,也經常針對全球的電力電子趨勢提供產業消息並發表演講。他擁有加州大學定量方法和數學碩士學位。

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