薄膜電容:電動汽車 OBC 中少不了的“綠葉”
發(fā)布時間:2020-08-01 來源:Vishay 責(zé)任編輯:wenwei
【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(dá)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(diǎn)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(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,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(shí)際上這些作為“綠葉”的元器件,會對設(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(jì)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(jìn)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(jì)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(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,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(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(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(rèn)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(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(dá) 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(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)測試長達(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(jì)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(jì)才真正能夠經(jīng)得住市場的推敲。
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