SiC 和 GaN ESU 逆变器：高压电容器的选择

SiC 和 GaN ESU 逆变器：高压电容器的选择

抽象

SiC 和 GaN 器件使电外科装置能够以 800 kHz 至 3 MHz 的频率进行开关，同时降低损耗并减小磁性元件的尺寸。同样的器件将边沿速率提高到 44 kV/µs 及以上，而介电损耗随频率的平方增加，因此高压部分需要承载更大的电流和更多的热量。在 300 W 原型机上进行测量，缓冲电路部分的温度升高了 58 °C，而 IGBT 版本的温度仅升高了 12 °C。本文给出了应力模型、五个陷阱和六个选择步骤。

1. 引言

宽禁带（WBG）开关，主要采用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）材料，已广泛应用于医疗电源设计。SiC MOSFET 已足够成熟，可用于医院级电外科设备（ESU）逆变器，而 GaN HEMT 则开始应用于手持式手术器械。这两种类型的开关速度更快、工作温度更高，但都能缩小变压器的尺寸。

增益是以无源器件的损耗为代价的。介质损耗随频率的平方而增加，因此 800 kHz 设计的介质损耗是 400 kHz 设计的四倍。边沿频率也会增加，每个边沿都会在回路中的每个杂散电容上产生位移电流。

在采用可互换开关模块的 300 W ESU 原型机上进行测试，从 Si IGBT 更换为 SiC MOSFET 后，效率从 89.5% 提升至 94.8%，缓冲电路的温度升高也从 12 °C 升高至 58 °C。效率固然重要，但温度升高决定了器件寿命。

本文给出了损耗和电流模型、测试台上出现的陷阱以及使零件保持在限度内的选择步骤。

2. 核心机制

2.1 设备类型比较

参数	硅MOSFET	SiC MOSFET	氮化镓HEMT
典型开关频率	50 kHz至200 kHz	200 kHz 至 2 MHz	500 kHz 至 10 MHz
边缘速率	10 kV/µs 至 30 kV/µs	50 kV/µs 至 100 kV/µs	80 kV/µs 至 200 kV/µs
交叉路口限	175°C	200°C	150°C
故障场	0.3 MV/cm	2.8 MV/cm	3.0 MV/cm

器件选择主要取决于两个参数：边沿速率和开关频率。SiC 器件的边沿速率为 50 kV/µs，开关频率为 200 kHz 至 2 MHz；GaN 器件的边沿速率为 150 kV/µs，开关频率为 500 kHz 至 10 MHz。额定频率为 400 kHz 的器件，如果不降低额定值，则无法满足上述两种情况的要求。

2.2 损耗随频率的平方而增加

零件损耗有两个方面：铁芯损耗（与频率呈低功率关系）和介质损耗（与频率呈平方关系）。

P_loss = k_1 · f^α + k_2 · f² · C · tanδ

其中 P_loss 为部件损耗（单位：mW），k_1 为磁芯损耗系数，f 为频率（单位：MHz），α 为磁芯损耗指数，C 为电容（单位：pF），tanδ 为损耗角正切。

一个置于 ESU 储能槽中的 470 pF N4700 电容展现了这种效应。在 400 kHz 时，总损耗为 50 mW；在 800 kHz 时为 168 mW；在 1.6 MHz 时为 612 mW。外壳温度上升也遵循相同的路径：8 °C、27 °C，然后是 98 °C。最后一个值高于标准 125 °C 电容的额定温度。

2.3 边沿速率决定峰值电流

每个快速边沿都会在开关节点周围的杂散电容中产生位移电流。

I_dis = C_stray · (dV/dt)

其中 I_dis 为位移电流（单位：A），C_stray 为该节点的杂散电容（单位：pF），dV/dt 为边缘速率（单位：kV/µs）。

在具有 100 pF 杂散电容的 800 V 母线上，一个 Si IGBT 在 5 kV/µs 的电压下会输出 0.5 A 的电流，一个 Si MOSFET 在 20 kV/µs 的电压下会输出 2 A 的电流，一个 SiC MOSFET 在 60 kV/µs 的电压下会输出 6 A 的电流，一个 GaN HEMT 在 150 kV/µs 的电压下会输出 15 A 的电流。缓冲电路必须在几十纳秒内吸收所有这些电流。

2.4 从芯片到部件的热路径

芯片温度越高，外壳内的空气温度就越高，而空气温度又决定了芯片外壳的温度。所需的热阻取决于这两个温度限制。

θ_JA = (T_j − T_case) / P_loss

其中 θ_JA 为部件本体到空气的热阻（单位：°C/W），T_j 为器件的结温极限（单位：°C），T_case 为部件外壳的结温极限（单位：°C），P_loss 为需要移除的热量（单位：W）。

温度为 175 °C 的 SiC 器件与温度限制在 85 °C 的部件相邻，两者之间相隔 90 °C。在 5 W 的损耗下，路径的温差要求为 θ_JA ≤ 18 °C/W。裸露的圆柱体在静止空气中的温差接近 30 °C/W，因此该设计需要气流或更大的筒体。

2.5 自共振极限

当元件的频率高于其自谐振频率时，它会变成感性元件。元件本体及其引线的串联电感决定了该谐振频率点。

f_SRF = 1 / (2π · √(L_ESL · C))

其中 f_SRF 为自谐振频率（单位：MHz），L_ESL 为等效串联电感（单位：nH），C 为电容（单位：pF）。

一个电容为 470 pF、电感为 8 nH 的器件谐振频率为 82 MHz，而电感为 30 nH 时谐振频率降至 42 MHz。对于开关频率为 3 MHz 的 GaN 设计，需要考虑 15 MHz 的五次谐波，因此 82 MHz 的谐振频率留有余量，而 30 nH 的谐振频率则没有。

图 1 — 损耗随频率的平方而增加：470 pF 的器件在 400 kHz 时运行功率为 50 mW，在 1.6 MHz 时运行功率为 612 mW，外壳温度从 8 °C 升至 98 °C。

3. 工程痛点

痛点1：损失以直线方式外推

设计人员将 400 kHz 的损耗值乘以 1 得到 800 kHz 的损耗值。介电损耗项随频率的平方增长，因此实际值更接近 3.4 倍。如果根据直线估算选择器件，其运行温度会比预期高出 40 K，并且无法通过 000 小时的测试。因此，应使用器件的实测曲线，而不是线性规则。

痛点二：缓冲电路部分不具备浪涌保护能力。

在 150 kV/µs 的浪涌电压下，GaN 边缘器件在 100 pF 的杂散电容作用下可产生 15 A 的峰值电流。标准的引线式器件在端子发热和 ESR 升高之前，可以承受几安培的重复浪涌电流。真正重要的额定值位于数据手册的浪涌电流行，而不是电压行。

痛点3：滤波器部分变为电感式

在 3 MHz 及以上频率，30 nH 的引线电感会使 470 pF 器件的谐振点接近 42 MHz，并在目标谐波出现之前就使器件呈现感性特性。此时滤波器失效，辐射会在设计试图消除的频率处上升。低静电放电 (ESL) 器件和短回路可以解决这个问题。

痛点 4：过热的机箱会缩短部件寿命

外壳温度每升高 10°C，介质层的寿命就会缩短约一半。与硅器件相比，碳化硅器件会使内部空气温度升高 20 K 至 30 K，除非改变器件本身或气流，否则这会导致器件寿命缩短 4 到 8 倍。宽禁带器件的额外效率可以弥补额外的散热工作，因此两者必须协同设计。

4. 设计步骤

策略一：使介电常数与频段相匹配

对于频率高于 1 MHz 的 GaN 设计，应采用超低损耗配方，在 2 MHz 频率下损耗角正切 (tan δ) 应低于 0.05%。对于 400 kHz 至 1 MHz 的 SiC 频段，应采用超低损耗配方，在 2 MHz 频率下损耗角正切 (tan δ) 应低于 0.05%。 N4700陶瓷圆片电容器 tan δ 接近 0.08 %，可降低损失，并将温度升高控制在 40 K 以内。

策略二：保持SRF边际高于10倍

将基频的自谐振频率 (SRF) 设置为开关频率的 10 倍以上，并将目标最高次谐波的自谐振频率设置为目标最高次谐波频率的 5 倍以上。例如，一个工作频率为 800 kHz 且需要 4 MHz 处五次谐波的电路设计，其自谐振频率需要高于 20 MHz。所有 HVC 筒体均能满足此要求，且还有余量。

策略 3：根据边长率确定零件尺寸

从边缘峰值电流开始，然后将其加倍。

I_peak = C · (dV/dt)_max

其中 I_peak 是元件的峰值电流（单位：A），C 是元件的电容（单位：pF），(dV/dt)_max 是电路中最快的边沿（单位：kV/µs）。

一个电容为 470 pF、工作在 44 kV/µs SiC 边缘的器件，峰值电流为 20.7 A。选择一个浪涌电流额定值高于 41 A 的器件，该值是上述数值的两倍。 HVCT8G 门把手电容器 通过螺丝端子将脉冲导入宽金属体，并将回路电感保持在 8 nH 以下。

策略 4：将电流分散到平行物体上

用两到三个较小的元件替换一个较大的元件。这样，每个元件承载的电流和发热量都会降低，总静电放电 (ESL) 也会下降，即使一个元件发生故障，设计也不会受到影响。例如，在一个 800 kHz 的缓冲电路中，三个 150 pF 的元件替换了一个 470 pF 的元件，并将外壳温度从 58 °C 降低到 34 °C。

策略五：增加热感应和降额功能

在工件旁边安装一个NTC热敏电阻，并将报警阈值设置为90°C（工件温度为125°C）。当读数超过报警阈值时，将输出功率降低20%。降额运行的设备可以继续运行；而忽略读数的设备则会在一次漫长的测试过程中丢失工件。

策略 6：通过 1000 小时的屏幕测试验证设计方案

在额定电压、设计开关频率和 85°C 的温度下运行器件 1000 小时。每 24 小时记录一次电容、tan δ、绝缘电阻和外壳温度。如果器件在运行期间 ΔC/C 保持在 1% 以内，IR 保持在 70 GΩ 以上，则该器件在现场性能良好。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
1 MHz 下的 ESR	低于 50 mΩ	-
回路电感（E40弦）	低于 8 nH	端子间距 40 毫米
绝缘电阻	在 500 V 直流电压下，电阻大于 10 GΩ	25℃，60%相对湿度
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
脉冲dv/dt能力	高于 50 kV/µs	额定电压

5. 用于宽禁带ESU逆变器的HVC电容器

HVC在东莞一家占地6000平方米的自有工厂内，采用I类介质材料，生产三种用于宽禁带频段的组件系列。 HVCHF-Ultra线路覆盖5 kV至20 kV电压范围，在2 MHz频率下损耗角正切(tan δ)低于0.05%，超导射频(SRF)高于100 MHz。 HVCHF-B 该系列产品涵盖频率范围为 400 kHz 至 1 MHz 的 SiC 设计，脉冲电流额定值为 80 A，脉冲持续时间为 10 µs。 HVDCT-HiTemp 系列产品适用于手持式和现场设备，温度范围为 -55 °C 至 +175 °C。

这里需要考虑的六个参数

• 在 2 MHz 时损耗角正切低于 0.05%。在 3 MHz 时介电项仍然很小，因此器件的外壳温升保持在 40 K 以下。
• 10 µs 脉冲内浪涌电流高达 80 A。GaN 边缘电流在 100 pF 杂散电容下可达 15 A，留有五倍以上的裕量。
• 在 1 MHz 频率下，ESR 低于 50 mΩ。在 8.7 A 的重复缓冲电流下，该器件产生的热量很少。
• 在桶形壳体上，100 MHz 以上的超导射频信号较弱。3 MHz 设计的 5 次和 7 次谐波频率低于谐振点，因此仍存在容性部分。
• 协调的组成部分。 HVR-BSP 厚膜电阻器, HVRGHP 低电感采样电阻器和 快速恢复二极管 缓冲电路、电流检测电路和整流电路的筛选数据相同。
• 与一线品牌交叉参考。HVC部件符合以下电气参数： 日前，Vishay HVCC、Murata DHS/DHR 和 TDK UHV/FHV，并用于医疗 OEM 的大批量发电机生产。

交付和支持

标准件的交货周期为 4 至 8 周，配套的缓冲组件的交货周期为 6 至 10 周，而上述品牌通常需要 20 至 30 周。HVC 应用工程团队为损耗模型、浪涌计算和散热布局审查提供支持。

请提供开关部件号、边沿速率、母线电压、开关频率和占空比。HVC 将在五个工作日内回复一份匹配的表格，其中包含部件号、工作频率下的损耗和 ESR 数据、热计算结果以及两件样品评估套件。

6. 常见问题

问题1：为什么SiC逆变器比IGBT设计对电容器的压力更大？

因为边沿速率和频率上升都发生了变化。硅基IGBT的导通电压为5 kV/µs，开关频率接近400 kHz。碳化硅MOSFET的导通电压为44 kV/µs，开关频率为800 kHz。在相同负载下，缓冲电流峰值从1.2 A增加到8.7 A，器件温升从12 °C增加到58 °C。

Q2：800 kHz 会增加多少额外损耗？

在 470 pF 的 N4700 器件上，400 kHz 频率下的功耗约为 400 kHz 频率下的 3.4 倍：168 mW 对比 50 mW。介电常数与频率的平方成正比，因此 2 倍的线性估计值远低于实际值。在 1.6 MHz 频率下，同一器件的功耗达到 612 mW，外壳温度接近 98 °C。

问题3：我应该持有多少SRF保证金？

开关频率应高于其10倍，且最高次谐波频率应高于其5倍。例如，一个800 kHz的设计，如果关注4 MHz的谐波，则需要高于20 MHz的自谐振频率（SRF）。引线电感应保持在10 nH以下，因为30 nH的引线电感会在82 MHz到42 MHz的频率范围内产生470 pF的阻抗损耗。

Q4：如何确定GaN边缘的零件尺寸？

将电容值乘以最快的边沿速率即可得到峰值电流，然后乘以 2 即可得到额定值。例如，一个 470 pF 的器件在 44 kV/µs 的边沿电压下会产生 20.7 A 的浪涌电流，因此应选择浪涌电流额定值高于 41 A 的器件。数据手册中的浪涌电流参数决定了器件的额定值，而不是电压参数。

Q5：温度更高的外壳真的会缩短零件寿命吗？

是的。外壳温度每升高 10°C，介质层的寿命就会减半。碳化硅器件内部空气温度升高 20 K 到 30 K 会导致寿命缩短 4 到 8 倍。在接受这种寿命损失之前，请考虑增加气流、使用更大的外壳或通过散热片降低环境温度。

Q6：什么时候应该使用多个并行部件而不是一个大型部件？

当浪涌电流超过约 10 A 或外壳温升超过 40 K 时，三个 150 pF 的电容分别承载总电流的三分之一，分散热量，从而降低有效静电放电 (ESL)。在一个 800 kHz 的缓冲电路中，这种改变将外壳温升从 58 °C 降低到 34 °C。

7。 参考

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12. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com