CeraLink™ 电容器

日期:2013-02-05

  爱普科斯(EPCOS)的新技术CeraLink™对于稳定和过滤功率逆变器的直流链路大有裨益,特别是与传统电容器技术相比更是如此。开发人员将会从依靠新型快速开关IGBT模块的拓扑结构中受益。

  作者:爱普科斯(EPCOS)公司

  在电源和逆变器中使用的功率半导体开关要依靠两种技术,那就是MOSFET和IGBT技术。MOSFET可以在相对较高的开关频率中进行操作,这种开关频率远远高于30kHz,但与IGBT不同的是,它们拥有一个非常大的芯片表面积。英飞凌科技公司的新一代IGBT模块可以在高达100kHz的频率下工作。在这两种系统中的线路和开关断开的损耗 程度相同。快速的IGBT的制造复杂性较小,而且,它的芯片面积通常比超结MOSFET的芯片面积更小,它也是拥有高开关频率的IGBT3技术的一个基础,并且拥有优良的性价比。

  快速开关系统的电路设计要求使用最小的等效串联电阻值(ESR)和等效串联电感值(ESL)。相应地,无源元件——电感器,但特别是电容器必须与高开关频率保持一致。反过来说,这允许使用更加微型轻巧的无源元件,有利于减少损耗,提高效率。

  电容器是元件开发的重点。这些电容器要求配有极低的等效串联电阻值(ESR)和等效串联电感值(ESL)的高开关频率和极其小巧的外形设计。传统的电容器技术只能满足部分要求。爱普科斯Ceralink是一种全新方法:这款先进的元件是一种多层陶瓷波纹电流抑制器,也被称为链路或直流链路电容器,此外,它还可以用作缓冲器。

  逆变器可能的新设计

  爱普科斯(EPCOS)CeraLink技术在公司位于奥地利的Deutschlandsberg的陶瓷元件技术中心进行开发。我们可以从其他人那里获得构成这款先进元件的专门技术,学到有关多年来大量制造压电执行器的技术。爱普科斯CeraLink使制造陶瓷电容器具备了一定的优点并掩盖自身的缺点。这款获专利的多层元件是以反铁电陶瓷材料为基础材料和含有特殊的铜内电极,它可以使用标准的IGBT也可以使用开关频率显著更高的新型高速IGBT,使用起来更经济。这自然也要应用含有相应的超结MOSFET电路。创新的CeraLink技术把等效串联电感(ESL)和等效串联电阻(ESR)的最小值与单位体积的高电容结合,这就大大改善了未来的IGBT和MOSFET逆变器的效率、可靠性和空间需求。此外,CeraLink也可以用于低剖面SMD设计中,使它适合用作缓冲器解决方案以便集成电源模块。爱普科斯与市场IGBT模块领先者英飞凌科技公司密切合作,对爱普科斯CeraLink元件进行改装以及不断地优化,以获得IGBT模块的首款设计。这就促使CeraLink元件的性能和能源效率达到最好的效应。对于英飞凌科技公司的EASY汽车系列和行业应用中的相应汽车系列,所有相关的电容器参数 和性能朝着经济节约和高效的方向进行优化(表1)。

  表1:爱普科斯 CeraLink优化参数和性能

  机载逆变器的首款设计,英飞凌的EASYKIT DCDC,是以现有的OEM规格设计的,它的高压侧的额定直流电压为400伏左右。爱普科斯(EPCOS)CeraLink目前有几款可供选择的设计。它的电容值范围从1微法至100 微法,额定直流电压为400 伏和800伏。图1中显示了各种终端设计。考虑到有限的可用空间,SMD版本(LP和SMD)专门为直接集成半导体电源模块而设计。他们可被焊接、粘接或烧结。

  图1:各种爱普科斯(EPCOS)CeraLink设计版本

  通过和爱普科斯紧密合作,英飞凌科技公司已经开发出了一款HV/LV DC-DC演示板,它的输出功率为2.7千瓦。所需直流高压输入范围为200伏至400伏——根据使用的HV电池而定——直流输出低压范围为8伏至16伏,这也是汽车电子系统中的典型标准电压。此外,该演示板的直流电流范围必须高达200 安。

  近100种爱普科斯和TDK元件DC-DC转换器市场上可以找到各种类型的电路拓扑结构。然而,使用最广泛的是在MOSFET晶体管中有零电压转换(ZVT)的全桥电路。英飞凌科技公司通过使用各种爱普科斯元件对这些电路重新设计,并把它们改装为EASY系列的快速开关的IGBT(图2)。他们使用了大量不同的爱普科斯和TDK元件(表2)。

  该电路含有大约100种爱普科斯和TDK元件。

  图2:英飞凌的EASY2.7 kW逆变器

  爱普科斯CeraLink将单位体积高电容、低等效串联电阻值(ESL)和等效串联电感值(ESR)和ESR值,以及最小漏电流结合起来,以满足所有高速IGBT或MOSFET模块的要求。此系统配置允许高达10 千安/微秒可控制的高电流变化率(di/dt)。尽管这些电流变化率非常高,但由于CeraLink的ESL值较低,CeraLink所产生的电压峰值(V = L * di/dt)也非常低。

  寄生电感不仅仅只是由电容器引起的。明显的杂散电感发生在一个正常的系统配置中,这是由几个原因所造成的,包括把内部IGBT模块和馈线接到电容器上。由于爱普科斯CeraLink的紧凑型设计,它允许的馈线值显著地降低到与电容器本身程度相同的馈线值。IGBT模块的紧凑链路能同时衰减其过电压,而通常不需要使用缓冲电容器。图3显示了使用和不使用爱普科斯CeraLink时IGBT模块在电路断开情况下的电压曲线。所以IGBT电压升压很小并且保持在安全的电压范围内。在此例子当中使用了100kHz开关频率,这就意味着电容器的纹波电流要达到200kHz。图4显示了阻抗和ESR曲线用作频率函数。

  开关时由于寄生电感流过IGBT模块的电压

  图3:爱普科斯CeraLink过电压衰减

  由于爱普科斯 CeraLink极低的ESR值,爱普科斯 CeraLink可以有效减小过压峰值。因此,一般来说,不需要额外的缓冲电容 器。

  图4:阻抗和ESR用作频率函数

  虽然爱普科斯CeraLink电容量足够满足单纯的DC-DC应用,但是对于电机操作来说这个电容量可能太低。不过这个问题可以通过并联铝电解质电容器或薄膜电容器得到解决,因为这些电容器的高电容承载着低频率电流元件。爱普科斯CeraLink用来处理高频率元件,包括缓冲器元件。

  现成的样品符合英飞凌的EASY模块,这些样品也可以通过地区销售处获取。目前,该产品系列的生产还处在准备阶段,它利用了现有的爱普科斯压电执行器燃料喷射系统容量技术。

  www.epcos.com

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