【導(dǎo)讀】國(guó)際能源署（IEA）發(fā)布的《2020 年全球電動(dòng)汽車前景》報(bào)告中的數(shù)據(jù)顯示，2019 年電動(dòng)汽車的全球銷量突破 210 萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng) 40％，全球電動(dòng)汽車充電樁的數(shù)量也達(dá)到了 730 萬(wàn)個(gè)。與此同時(shí)在中國(guó)，年初提出的“新基建”戰(zhàn)略中，也將電動(dòng)汽車充電樁的建設(shè)列為重點(diǎn)投資的領(lǐng)域，這使人們對(duì)中國(guó)這個(gè)全球電動(dòng)汽車最大市場(chǎng)的后市走向充滿了期待。對(duì)于 EV 的開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，這是難得的機(jī)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(jí)，以往大家的目光往往會(huì)聚焦在主控制單元和功率元器件這些“紅花”上，而對(duì)一些外圍元器件——比如電容——的關(guān)注則不是那么多，而實(shí)際上這些作為“綠葉”的元器件，會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)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(dòng)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(gè)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(guò)，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(lái)。這時(shí)，就需要一個(gè)性能更佳的替代方式，這個(gè)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(shì)體現(xiàn)在耐壓高、ESR 低、無(wú)極性、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)等方面，這使得其應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)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(shì)
如果我們將薄膜電容的特性，與電動(dòng)汽車的使用場(chǎng)景相對(duì)比，會(huì)發(fā)現(xiàn)兩者有很高的契合度，因此可以說(shuō)薄膜電容是電動(dòng)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(cè)試規(guī)范，因此我們就需要沿著這樣的思路去進(jìn)行選型和應(yīng)用。
OBC中的薄膜電容
具體到電動(dòng)汽車中的車載充電器（On-Board Charger，OBC），如何在設(shè)計(jì)中發(fā)揮出薄膜電容的性能優(yōu)勢(shì)呢？
圖2：OBC在電動(dòng)汽車中的作用
一個(gè) OBC 系統(tǒng)通常包括兩個(gè)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(gè)過(guò)程中，可供薄膜電容施展身手的應(yīng)用場(chǎng)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(chǎng)景
對(duì)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(guò)了 AEC-Q200 車規(guī)認(rèn)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(hào)，給開(kāi)發(fā)者選型提供了更多的自由度。下面我們以幾個(gè)重點(diǎn)薄膜電容為例做詳細(xì)介紹。
EMI 濾波
為了消除 OBC 在交流輸入端的電磁干擾（EMI）對(duì)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(hào)；Y 電容接于 L 和地或 N 和地之間，對(duì)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(gè)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(duì)更廣的容值范圍可供選擇，而 F339 X2 是一顆對(duì)高濕環(huán)境耐受力較強(qiáng)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(duì)濕度（RH）可完成 500 小時(shí)測(cè)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(duì)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(guò)“高濕高可靠性”認(rèn)證的元件，在溫度 85°C、相對(duì)濕度 85%、額定 AC 電壓條件下，經(jīng)過(guò) 1000 小時(shí)溫濕度偏壓（THB）測(cè)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(kāi)發(fā)者的設(shè)計(jì)在相同的性能下實(shí)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(lái)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(fù)載端受到過(guò)電壓的影響。薄膜電容耐高壓、大容量、無(wú)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(guò) 100,000 小時(shí)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(duì)濕度 85%、額定 DC 電壓條件下，1000 小時(shí)溫濕度偏壓 (THB) 測(cè)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(dá) 560μF，額定電壓可選范圍寬（63Vdc-1000Vdc），同時(shí)高溫特性突出，有限時(shí)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(gè) 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(qiáng)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(dá) 19.3A。可靠性方面，MKP385e 最高工作溫度達(dá) 125°C，額定電壓下 60°C、93% RH 溫濕度及偏壓（THB）測(cè)試長(zhǎng)達(dá) 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(gè)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(guò)以上的介紹，我們可以看出，憑借自身的特性優(yōu)勢(shì)，在電動(dòng)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(shì)所趨。由于工程師們已經(jīng)看到了薄膜電容的諸多優(yōu)勢(shì)，尤其是在汽車相關(guān)設(shè)計(jì)中，薄膜電容替代電解電容這一趨勢(shì)尤為明顯。讀懂這個(gè)趨勢(shì)，你的設(shè)計(jì)才真正能夠經(jīng)得住市場(chǎng)的推敲。
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