被動元件材料不斷創新 功率密度更上一層樓(1)
提高功率密度是電源應用開發者持續追求的目標，也是寬能隙元件能在高階電源市場上迅速普及開來的主因。但若要發揮寬能隙元件的全部潛力，被動元件也必須與時俱進，許多基於新材料的被動元件隨之誕生。
為什麼提高功率密度是轉換器設計人員之重要目標？不論是資料中心伺服器等能源密集型系統，還是路上越來越智慧的車輛，為其供電的電源轉換電路需要能夠在更小空間內處理更大功率。真的就那麼簡單。
隨著這些應用對效能要求越來越高，系統必須在相同或更短時間內完成更多操作，這意味著電源設備需要對系統輸出更多功率。但是無論在資料中心還是車輛中都一樣，空間都非常寶貴。構建更大電路來提高輸出功率，通常不是最佳選擇方案。然而，在提高功率和能源效率同時，要顯著減小系統尺寸，在技術上是相當有挑戰性的一件事。因此，雖然提高功率密度是設計人員首要目標，但實際上設計人員努力的方向，往往是從提高能源轉換效率下手，以緩解逐步增大的散熱挑戰，間接達成縮小尺寸的目的。隨著世界越來越多仰仗再生能源發電，這對於進一步節約能源也很重要。
電源系統設計中的寬能隙技術
對更高功率密度的追求，是寬能隙(WBG)半導體之所以能迅速獲得業界主流認可的原因。例如，雖然目前電動車還沒有採用寬能隙半導體，但電動車對寬能隙元件而言，已經是非常重要應用出海口。而且伴隨這種趨勢發展，知名品牌正在迅速採取行動，以確保其即將推出的全電動車具有更高競爭力和可比性能。
以碳化矽(SiC)、氮化鎵(GaN)和其他技術為代表的寬能隙元件能夠顯著提高功率轉換效率，而且其操作頻率比矽元件更高，還可以在更高溫度下可靠運作，從而緩解熱管理挑戰，減小冷卻系統尺寸、重量和複雜性。其中，寬能隙元件最耀眼的優勢是切換頻率。更高的切換頻率可讓設計人員開發出尺寸更小，卻能夠輸出相同甚至更大功率的電路。具體來說，以更高頻率進行切換操作，會讓設計人員能夠採用體積更小的被動元件，如電容器和電感器來管理和平滑輸入和輸出電路中的能量流動。
然而，更高的切換頻率，會對使用傳統材料的被動元件帶來新的考驗。基於矽功率半導體元件的電源轉換器，其典型切換頻率在數十KHz範圍內，例如30~80kHz這個區間。在這個頻率範圍內，設計人員可以採用被廣泛認可的聚丙烯電容器，這種電容器性能可靠，且成本效益極高。然而，在這個頻率範圍之上，寄生效應就會導致過多電阻損耗和自生熱。因此，與寬能隙元件搭配的被動元件，必須使用新的材料來實現。
材料創新讓被動元件與時俱進
大多數領先電力電子團隊都在開發基於SiC功率電晶體的全新轉換器原型，作為主要的被動元件供應商，KEMET一直在此過程中保持與他們合作。透過研究這些新功率切換技術對支援電路提出的新要求，KEMET開發出新世代的KC-LINK陶瓷電容器(圖1)。
圖1 KEMET的KC-LINK陶瓷電容器
該電容器基於專屬高壓C0G電介質，可確保極低有效串接電阻(ESR)和極低熱阻。它們可以在數MHz的頻率範圍內，以最小損耗運作，並且可以處理非常高漣波(Ripple)電流，而電容相對於直流電壓則沒有變化。電容在整個溫度範圍內也非常穩定。由於能夠在高達攝氏150度的環境下操作，因此在高功率密度應用中能夠靠近快速切換半導體進行安裝。已經上市的產品系列可提供從500V...
2023 年 06 月 30 日
