TDK / 中间电路电容器 特殊 SiC 和 GaN 电容器电介质

应用和建模部门的 Fernando Rodríguez 和 TDK 薄膜电容器基础研究总监 Lucía Cabo 博士推介了耐高温薄膜电容器。

基于氮化镓和碳化硅的功率晶体管对中间电路电容器的要求非常高。TDK 现在已经开发出一种电介质,这种薄膜电容器现在可以在最高 +125°C 的温度下使用,而非 +105°C,其绕组结构也得到了优化。

氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 半导体开关在电力电子应用方面具有很大的优势,它们能够以三位千赫兹的开关频率工作。同时它们具有快速开关沿,可提高转化率。由于开关频率高,薄膜电容器越来越多地用于中间电路 (DC-Link) 中。

为了保持电缆长度,从而使寄生电感尽可能小,通过母线以非常靠近电力电子设备的方式连接电容器。这里的相关问题:这些半导体非常热,温度也会通过母线到达中间电路电容器。但是,具有双轴取向聚丙烯 (BOPP) 电介质的常规薄膜电容器的热上限仅为 +105°C

两种电介质的混合

TDK 开发出了一种即使在高温下也可以永久使用的电介质。它是两种基本材料的组合物。其中一种成分是半结晶聚丙烯,非常易于加工成薄膜,另一种成分是可耐高温的非晶态环状烯烃共聚物 (COC)。这样产生出的电介质 (COC-PP) 可以在 +125°C 以上的温度条件下以极少的降额使用,同时保持 BOPP 的良好自修复特性。此外,可以借此生产厚度仅为 3 µm 的极薄薄膜。1 显示的是与常规 BOPP 相比,COC-PP 的收缩和降额特性都得到了显著改善。

我们对此采访了 TDK 薄膜电容器基础研究总监 Lucía Cabo 博士和应用与建模部门的 Fernando Rodríguez

 

像所有电容器一样,薄膜电容器也具有复阻抗:一条由欧姆和电容成分组成的串联电路。因此,这会导致电阻与频率息息相关,电阻随频率的增加而急剧增加。实际上,这种增加是由于阻抗不均匀、集肤效应和绕组几何形状引起的。它们会导致意外的谐振和电磁效应,从而使电容器发热。

如果电容器内部由多个绕组组成,则会产生特别不利的影响。不同的内部电缆长度和其他因素会导致各个绕组上出现与频率密切相关的电流分布( 2)。

TDK 能够借助 CAD 和仿真软件优化其射频功率电容器的内部设计。即使在 WBG 半导体面临高频和高温的情况下,由于具有最小的 ESR,这些器件仍可提供高性能和相对较低的损耗( 3)。

新型 B25640* 系列电容器是专为 SiC 半导体量身定制的。它们的额定直流电压为 700 V 2200 V,容量为 379 µF 2300 µF,适用于新一代的牵引、工业驱动和可再生能源变频器。即使在高达 +125°C 的温度下,电容器也可以借助 COC-PP 电介质在不降低电压的情况下工作。一个很大的优点是:非常小的仅 10 nH 的串联等效电感 ESL。因此,即使在高的快速开关电流下,也只会出现轻微的电压过冲,所以甚至可以不使用缓冲电容器。