EV汽车技术热点：逆变器里的电容有何特别？

从整个电动车的角度来说，电子元器件受到的挑战主要来自于：（1）电动车是基于高压电池系统的；（2）较快的充电速度，要求的高功率；（3）电动车内部子系统要求做到更小的体积，提升整个系统的组件密度；（4）随上述挑战，包括高频率驱动的转换器，以及各子系统尺寸缩减要求，造就的高温工作环境；（5）高可靠性要求——这原本就是车载系统的基本要求。

尺寸越来越敏感的电容

在汽车电动化的技术演进过程中，电力电子系统的集成化和小型化，始终是趋势。这是汽车电动化、数字化、网联化、智能化过程中的必由之路，因为汽车内部系统开始变得复杂，且空间越来越局限。过去30年，汽车内部的技术、解决方案都趋向于越来越高的功率密度。

随汽车内部空间的紧张，及系统的复杂化，机电系统的整合，又不只是增加功率密度。器件、互联、散热等等共同构成了集合体，以降低电力电子系统的整体成本。其中一个非常关键的组成部分是被动器件，尤其是被提的很多的直流侧电容（DC-link Capacitors）、电磁干扰过滤器、转换器电感等。

尺寸缩减，外加更高的结构弹性，对温度的适应性，都是满足系统整合挑战的必要条件。上述功率器件新技术的发展，即是这一趋势的体现。而被动器件，更是电力电子系统成本和尺寸的重要组成部分，尤其是提供低阻抗DC环节、满足EMI限制需求的电容器，在其中占了很大一部分。

针对这样的需求，能够具体落实的电容产品主要有三大类，分别是MLCC（多层陶瓷电容）、铝电解电容以及薄膜电容。

MLCC有着较小的尺寸、较高的交流额定电流，而且工作温度可以很高——包括储能密度等参数也满足需求，但成本及机械敏感性可能会限制其在高压汽车DC环节的应用。

铝电解电容有着最高的储能密度，但ESR（等效串联电阻）或者AC电流额定值不够理想。针对这些问题当然也都有改良方案，但在ESR抑制方面，由于实际特性的限制，额定电压、工作温度范围、ESR很难同时做到完全理想化。

薄膜电容则在形态、尺寸方面展现出了明显比较高的弹性，在系统设计上会有较大的优势。DC环节薄膜电容作为逆变器中占用体积很大的一部分，更高的储能密度就显得相当重要。在EV系统中，电容需要在DC环节中担纲解耦、过滤器的角色。电解电容器相比薄膜电容器，需要高出许多的最小电容量，才能承受相同的电流值。从应对高RMS电流的角度来看，金属化薄膜电容（Metallised Film Capacitor）因此具备节省空间、节约成本的特性。

而且如前所述，这种电容器在形态上明显更具弹性，环形、同轴，甚至在薄膜堆叠上直接钻孔都可行。这就让系统设计变得更为简单，可更轻松地满足电机本身的形状需求。

理论上，影响储能密度的参数主要包括了最大工作场强、相关介电常数。不同的陶瓷电容器也存在温度稳定性，以及在直流偏置电压下介电常数骤降等问题。考虑到薄膜电容还有自我修复这样的能力，薄膜电容在上述场景下因此更是各种电容器中的优选。

当然在实现电力电子系统减小体积的问题上，本身还有更多系统设计中需要关注的问题。而且薄膜电容的薄膜材料有较大的热膨胀系数——即随温度变化，尺寸会发生较大幅度的变化，这是必须考虑的问题。

高温高压耐受/耐久性要求

除了提升空间利用率之外，在实际应用中，薄膜电容作为针对电动车逆变器的滤波电容也表现出了相当大的优势。去年的CEATEC 2019展会上，我们采访薄膜电容供应商之一的尼吉康时，尼吉康的工程师告诉我们：

“薄膜电容器寿命比电解电容器长得多，可以达到20年以上；另外在电压等级方面，电解电容电压比较低，薄膜电容则电压高；电解电容受温度影响大——在温度变化时，其容量、损耗率会发生变化，而薄膜电容是非常稳定的。”

一般来说，薄膜电容器所用不同的薄膜材料呈现出的耐热性、电容温度特性、交流击穿电压、尺寸等都有差异。耐热性比较出色的是PEN（聚苯二甲酸乙二醇）与PPS（聚苯硫醚）薄膜，成本相较PP（聚丙烯）、PET（聚酯）也会略高一些——其中PET可以做得更薄，相比PP可提供更高的相对介电常数。