电力电容器利用宽带隙半导体延长寿命

为了满足电源转换行业对功率、温度和成本的要求，工程师需要采用高效率的电力MOSFET、整流二极管和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。随着提高效率成为众需求中的重中之重，并且能源成本也在不断增加，以前被认为是奇特且昂贵的碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等技术，现已变得更具性价比。此外，随着市场的增长，由于规模经济的关系，SiC或GaN晶体管和二极管在经济上也越来越具有吸引力。

随着电源电路——尤其是电器或电动汽车（EV）电机驱动器、并网逆变器和数据中心电源——越来越普遍地采用这类器件设计，设计人员需要考虑它们对电路其他部分（例如电容器等无源元件）的影响，以及如何设计它们来帮助尽可能地提高效率增益并确保可靠性。

高效功率半导体

功率半导体（如二极管和MOSFET）可以通过几种机制显著节省能源。与传统的硅器件相比，SiC二极管可以实现短得多的反向恢复时间，从而实现更快的开关。此外，其反向恢复电荷要少很多，从而可降低开关损耗。就其本身而言，SiC MOSFET没有传统硅IGBT关断特性中所具有的拖尾电流，因此可以将关断损耗降低多达90%，同时可以增加开关频率，从而减少对外部平波电容的依赖。此外，SiC的宽带隙特性，可使高压晶体管的沟道设计得很窄，从而使单位面积上的RDS(ON)降低，而使采用标准功率封装的SiC器件能够实现比采用同类封装的相应硅器件更低的传导损耗。

由于可同时实现低开关损耗和导通损耗，并可实现高击穿电压，因此工程师可设计具有低分布电流（即低I2R损耗）的高效高压电路。这在数据中心电源等电路中越来越重要——随着数据中心面临用户数增加、消费者对流媒体服务的需求、对云分析和存储越来越依赖，以及物联网（IoT）迅速发展的影响等趋势，服务器需要更高的功率来处理越来越多的计算负载。

设计选用对其他元件的影响

由于宽带隙器件可实现更高的工作电压和更高的开关频率，因此滤除和平滑电压和电流纹波所需的外部电容值可以更低。另一方面，在电路布局时需要对高工作频率格外小心，以便尽可能减少不期望的影响，例如PCB走线或电缆中的电感。

就电容器的要求而言，尽管所需的电容值可能较低，但由于电源电路通常受到极大的尺寸限制——例如，云服务器设计人员希望尽可能为处理器和FPGA留出电路板空间，以便处理高计算负载，而EV设计人员需要采用小型逆变器来迎合汽车的整体封装——因此需要高额定电压以及小尺寸。

选用宽带隙半导体设计，还要求元件能够承受更高的环境工作温度。SiC或GaN器件可以在比传统硅器件更高的温度下工作，并具有相同的可靠性。目前市场上的SiC基半导体可以在200℃以上的温度下工作，电压范围为400V至3500V。系统设计人员可以利用这一点来简化热管理，从而降低总体成本和尺寸：散热器尺寸减小、成本降低，可为设备制造商带来显著的经济效益；服务器机房空调成本降低，可使数据中心运营商受益；或者EV逆变器冷却系统容量降低，可以帮助减少车辆重量和成本。

由于采用宽带隙器件的电路通常具有较高开关频率，需要将导体长度设置得短，以尽可能降低不期望的电感，因此像电容器这样的元件往往放置在更靠近较热功率半导体的位置。因此，设计人员不仅需要增加电容器温度等级，而且还需要更高的温度稳定性，以确保在典型的稳态工作温度下具有足够的电容。电容等效串联电感（ESL）和等效串联电阻（ESR）也应低，以尽量减少不期望的自发热和高频感应电压。

电容器设计的增强

工作温度高达200℃的电容器，其需求通常仅限于专业市场，如国防或井下钻探。这类市场已经应用了各种电容器技术，例如具有液态硫酸电解质的钽电容器。这些技术不适合在消费类设备中广泛使用。虽然业界已开发出额定工作温度高达200℃、具有安全固体电解质的表贴式钽电容器，但此类电容器的额定电压通常为10V至35V，并采用EIA 7343外壳尺寸，而使其最适合用作大容量电容。

对于井下钻探应用，业界已开发出采用贵金属内部电极而使温度等级可达至260℃或更高的多层陶瓷片式电容器（MLCC）。然而，从成本角度来看，贵金属技术对于消费类或大批量应用并不可取。

基美电子（KEMET）已开发出额定工作温度高达200℃、采用C0G电介质和镍贱金属电极（BME）的MLCC，为额定电压为200V、500V和2000V的应用提供了高性价比的替代方案，以满足井下钻探市场所需。这些器件得益于低漏电流、低损耗因数、低ESR和ESL，以及在高达300℃的温度下具有较长使用寿命等特性。此外，实验结果表明，其有效电容受温度或所加电压的影响非常小，从而可确保在持续的高工作温度下具有稳定的电容和高可靠性。

图1显示了在施加500VDC连续偏压的情况下，33nF EIA 2824表贴镍BME C0G电容器和10nF径向引线500VDC X7R贵金属电极电容器随温度变化的比较结果。施加电压时，X7R电容器的电容相对其额定值下降了25%。在200℃时，电容比指定的标称值低50%以上。相比之下，BME MLCC C0G电容器在整个温度范围内具有非常小的电容变化。

图1：C0G BME MLCC在500VDC偏压下表现出优异的电容稳定性。

除了高温性能和稳定的电容之外，对于电路板基板弯曲可能导致MLCC层破裂的情况，BME MLCC还可设计为尽可能降低由此产生的电容损耗和器件故障。对于电容器和PCB基板之间热膨胀系数（CTE）高度不匹配的应用，引线或堆叠式电容器封装可以承受更大的弯曲或机械应力。

瞬态液相烧结（TLPS）

TLPS工艺是指，将具有低熔点的合金与具有更高熔点的合金进行反应，而在两个表面之间形成冶金结合。基美电子利用了两种TLPS工艺来为其KONNEKT技术组装高温电容器封装。其中一种TLPS工艺是基于铜锡（CuSn）合金，在达到300℃最高烧结温度后持续30秒钟反应，这种工艺现已用于对径向和轴向敷形涂层MLCC的引线进行粘合。与使用传统焊接引线组装的电容器相比，SnCu TLPS互连可在275℃的包覆成型工艺温度下保持高剪切强度，而焊接接头仅有很小的剪切强度。另一种则是基于铟银（InAg）合金的替代工艺，它增加了堆叠MLCC等较大元件的抗脆性。

基美电子的KONNEKT技术通过将多个元件组合到单个表贴封装中来实现高功率密度，可满足越来越多需要以小尺寸提供高功率密度的应用所需。

图2：基美电子使用KONNEKT技术的无引线堆叠电容器。

总结

为帮助提高电源转换效率、减小电路尺寸并简化热管理，宽带隙电力晶体管和二极管将得到越来越多的应用。使用这类器件进行设计，需要对电容器等相关外部元件进行重新评估。它们必须适合更高的开关频率、工作电压和环境温度。新系列MLCC可满足设计人员的需求，其利用了新开发的瞬态液相烧结技术，而使带引线封装能够承受高包覆成型温度，并在高达200℃的温度下连续工作。