薄膜电容：电动汽车 OBC 中少不了的“绿叶”
品慧电子讯国际能源署（IEA）发布的《2020 年全球电动汽车前景》报告中的数据显示，2019 年电动汽车的全球销量突破 210 万辆，同比增长 40％，全球电动汽车充电桩的数量也达到了 730 万个。与此同时在中国，年初提出的“新基建”战略中，也将电动汽车充电桩的建设列为重点投资的领域，这使人们对中国这个全球电动汽车最大市场的后市走向充满了期待。对于 EV 的开发者来说，这是难得的机遇，也是全新的挑战。
谈到 EV 电气化系统的创新和升级，以往大家的目光往往会聚焦在主控制单元和功率元器件这些“红花”上，而对一些外围元器件——比如电容——的关注则不是那么多，而实际上这些作为“绿叶”的元器件，会对设计整体的性能产生至关重要的影响。本文将以 Vishay 的薄膜电容在车载充电器上的应用为例，与大家深入的探讨电动汽车中电容器的选型和应用。
从电解电容到薄膜电容
在电容器这个大家族中，铝电解电容是资历最老的一位，以往在电力电子领域中的应用也非常广泛。不过，随着应用需求的发展，电解电容的一些短板也逐渐显露出来。这时，就需要一个性能更佳的替代方式，这个替代者就是薄膜电容。
与电解电容相比，薄膜电容的性能优势体现在耐压高、ESR 低、无极性、性能稳定、寿命长等方面，这使得其应用系统设计更简化、抗纹波能力更突出、在苛刻环境中使用更可靠。
图1：薄膜电容器的性能优势
如果我们将薄膜电容的特性，与电动汽车的使用场景相对比，会发现两者有很高的契合度，因此可以说薄膜电容是电动汽车电气化的理想之选！当然，一颗可以“上车”使用的电容，还必须满足更为严苛的车规（如 AEC-Q200）的约束，以及满足在更恶劣环境中使用的测试规范，因此我们就需要沿着这样的思路去进行选型和应用。
OBC中的薄膜电容
具体到电动汽车中的车载充电器（On-Board Charger，OBC），如何在设计中发挥出薄膜电容的性能优势呢？
图2：OBC在电动汽车中的作用
一个 OBC 系统通常包括两个主要的部分：将交流市电变成直流电的整流器电路，以及生成充电所需直流电压的 DC-DC 功率变化器。在这个过程中，可供薄膜电容施展身手的应用场景包括：
● EMI 滤波
● DC-LINK
● 输出滤波
● 谐振腔
图3：薄膜电容在OBC中的应用场景
对于这些应用，Vishay 都有相应的薄膜电容产品可供使用。而且特别值得一提的是，所有这些 Vishay 的产品，都通过了 AEC-Q200 车规认证，并且在很多类别中都特别提供了可供高温高湿（THB）环境使用的型号，给开发者选型提供了更多的自由度。下面我们以几个重点薄膜电容为例做详细介绍。
EMI 滤波
为了消除 OBC 在交流输入端的电磁干扰（EMI）对电网和其他电子设备的影响，需要在 OBC 的输入端加入 X 电容和 Y 电容：其中 X 电容主要是滤波作用，并联在 L、N 线之间滤除的差模信号；Y 电容接于 L 和地或 N 和地之间，对称使用，用于共模滤波。
Vishay 可用于 OBC 的 X2 电容包括 MKP339 X2 和 F339 X2，这两个电容都可以耐受 2.5kV 的脉冲冲击，而主要的差别在于 MKP339 X2 有相对更广的容值范围可供选择，而 F339 X2 是一颗对高湿环境耐受力较强的元件，符合 IEC 60384-14: 2013 / AMD1: 2016 grade IIB 规范，额定电压下在 85°C，85% 相对湿度（RH）可完成 500 小时测试。
MKP339 X2（左） 和 F339 X2 THB（右）
表1：MKP339 X2 和 F339 X2 电容主要特性比较
表2：IEC 60384-14:2013/AMD1标准一览
对于用于 EMI 滤波的 Y2 电容，可供选择的 Vishay 薄膜电容也有两款，分别是 MKP338 6 Y2 和最新推出的 F340 Y2， F340 Y2 同样是一颗通过“高湿高可靠性”认证的元件，在温度 85°C、相对湿度 85%、额定 AC 电压条件下，经过 1000 小时温湿度偏压（THB）测试，电容值、损耗因数和绝缘电阻具有极高稳定性，可让开发者的设计在相同的性能下实现更高的鲁棒性。
MKP338 6 Y2（左） 和 F340 Y2（右）
表3：MKP338 6 Y2 和 F340 Y2 电容主要特性比较
DC-LINK 直流支撑
在 OBC 中的整流电路和 DC-DC 转化器电路之间，需要一颗 DC-LINK 电容来做电流支撑滤波，其主要作用是吸收 DC-LINK 直流母线端的高脉冲电流，防止在 DC-LINK 的阻抗上产生高脉冲电压，防止负载端受到过电压的影响。薄膜电容耐高压、大容量、无极性等特性非常适合 DC-LINK 滤波应用。
Vishay 的 MKP1848 是 DC-LINK 电容的理想之选，它具有最高 400μF 的电容值，低 ESR 和优异的抗纹波能力，超过 100,000 小时的使用寿命，以及最高 105℃ 的工作温度。同样，Vishay 也提供了一款高湿高可靠的 MKP1848H 系列，满足温度 85°C、相对湿度 85%、额定 DC 电压条件下，1000 小时温湿度偏压 (THB) 测试要求。
MKP1848（左） 和 MKP1848H（右）
输出滤波
为了提升 OBC 直流输出的瞬态响应特性，需要一颗大容量、低 ESR 的输出滤波电容。为此，Vishay 提供了 MKT1820 低压 DC-LINK 薄膜电容，该系列产品最高容值达 560μF，额定电压可选范围宽（63Vdc-1000Vdc），同时高温特性突出，有限时间内可在 150°C 下工作。值得一提的是，MKP1848 和 MKP1848H 也可用于 DC 输出滤波，这使得该应用的可选薄膜电容的范围更广泛。从表 3 中，可以看到这几个 DC-LINK 电容的特性比较。
MKT1820
表4：MKP1848、MKP1848H 和 MKT1820 电容主要特性比较
谐振腔
除了上述的薄膜电容产品，Vishay 在 2019 年末推出的交流和脉冲金属化聚丙烯薄膜电容器 MKP385e，凭借高度稳定的脉冲强度和纹波电流性能，成为 OBC 谐振转换器电路的理想之选。
MKP385e 系列 从 400VDC 至 2500VDC 提供八种额定电压，额定电压 630VDC 以下电容器采用单体结构，630VDC 以上产品采用系列薄膜结构，电容器额定容量为 0.001 µF 至 15µF，ESR 低至 4mW，抗纹波电流能力高达 19.3A。可靠性方面，MKP385e 最高工作温度达 125°C，额定电压下 60°C、93% RH 温湿度及偏压（THB）测试长达 56 天，符合 IEC 60384-17 和 AEC-Q200 标准（D 版）。
MKP385e
我们将上述 Vishay 薄膜电容在中的 OBC 中的应用做一个归纳，供大家参考。
图4：Vishay 薄膜电容在中的 OBC 中的应用
通过以上的介绍，我们可以看出，凭借自身的特性优势，在电动汽车领域薄膜电容取代传统的电解电容，已经是大势所趋。由于工程师们已经看到了薄膜电容的诸多优势，尤其是在汽车相关设计中，薄膜电容替代电解电容这一趋势尤为明显。读懂这个趋势，你的设计才真正能够经得住市场的推敲。
推荐阅读：
2020年全国大学生电子设计竞赛“瑞萨杯”信息科技前沿专题邀请赛开赛啦
安森美将在国际物联网展展示最新的联接和感知方案
工业以太网协议的历史及其优势
使用LLC谐振控制器来加速器件运行
如何避免EPOS处理器在9V USB充电条件下发生短路
