氮化镓器件是第三代功率半导体器件。在相同的驱动能力下,其开关速度可以达到MOSFETR的数十倍,可以在10ns时间内完成10~100A的电流接通或关断;导通电压低,大约是600V硅MOSFET导通电压的五分之一!接近于普通硅二极管正向电压,甚至可能比硅二极管导通电压还低!这些优点是硅器件远远无法比拟的。因此,氮化镓FET的普遍应用是迟早的事。

 

现在氮化镓场效应晶体管开始步入应用,从简单到复杂,从下里巴人到阳春白雪。最先应用氮化镓FET的是手机充电器。其主要目的是通过提高开关频率减小充电器的体积;利用氮化镓FET的低导通电压,减少损耗。

 

行业普遍认为:提高频率,无源元件(电感变压器、电容)首先可以大大地减小体积,加上氮化镓FET的高效率开关,整机体积明显减小是必然的。由于对电容器体积减小到需求,整机制造业倒逼电容器制造业将电容器体积减小。首当其冲的就是电解电容器

 

在这个大趋势下,“氮化镓FET用电解电容器”应运而生!

 

接下来的问题是这款“氮化镓FET用电解电容器”在性能上有哪些提升?是否很好的适应氮化镓FET的工作状态?

 

需要清楚的是:电解电容器在充电器中的作用。50/60Hz的整流滤波,或对50/60Hz的整流输出电压进行“平滑”,因此英文的整流滤波电容器称之为平滑电容器。这就需要整流滤波电容器具有足够的电容量和足够的耐压。在没有PFC电路条件下,手机充电器的输入整流滤波电容器需要1μF/W的电容量。这就导致了即便是用氮化镓FET、大幅度提高开关频率,也无法改变这个电容量!电解电容器的体积也不会减小。

 

在用户“逼迫”之下,积淀了缩体电解电容器制造经验的电解电容器制造商开始在缩体方面满足手机充电器制造商的心理需求,制造出“氮化镓FET用电解电容器”。可以肯定的是,电解电容器的体积得到减小。

 

接下来的问题是,该电解电容器的性能除了体积的减小还有什么提升?结论是,制造工艺没有本质性改变时,电解电容器的寄生电感ESL无法得到大幅度降低,而且电解电容器的ESL与薄膜电容器相比是高的,相对MLCC更是不止高出一个数量级,甚至两三个数量级。

 

由于氮化镓FET充电器的开关频率从硅MOSFET的约150kHz提升到500kHz左右,需要电解电容器适应这个频率的低阻抗性能,由于开关频率已经到了500kHz,这个频率已经超出10μF/400V规格电解电容器的自谐振频率。

 

在这个开关频率下,电解电容器已经呈现电感特性。而输入整流滤波的后级是反激式开关电源,向整流输出索取的电流波形是锯齿波电流,高次谐波极其丰富,影响最大的是三次谐波(二次谐波电流分量也可能很大),对应的频率在1MHz,如果是五次谐波,对应的频率就是2.5MHz,在这样的状态下电解电容器的ESL对应的感抗将变得很大,吸收如此高频率的纹波电流变得困难,致使这些纹波电流中的相当比例流入直流母线而不是电解电容器,造成直流母线电压叠加比较高幅值的MHz级纹波电压。

 

对于手机充电器制造商而言,这个结果是绝对不希望出现的,其结果是:或者无奈的吞下这个苦果,或者是在直流母线并接高压低寄生电感的MLCC。

 

对于如此高频率的纹波电流,由于电解电容器的分布性寄生电感的存在,高频纹波电流只能流过导针附近的铝箔箔,这导致导针附近正极箔电流密度过大,出现严重“过电流”现象,其结果就是在导针附近首先出现“水合”现象和干包现象,用于MHz级滤波的电解电容器如果出现早期失效,通过解剖看到,在导针附近干包程度最严重,水合也最严重。

 

要想改变这个局面,必须极大地降低电解电容器寄生电感ESL。最简单的办法就是负极延伸,并且用激光焊接将延伸的负极箔焊接。这种方式仅仅解决了负极的寄生电感问题。正极箔的寄生电感仍然没有得到解决。要想消除正极箔卷绕寄生电感需要革命的制造工艺。

 

在没有革命性钉卷工艺问世前,“氮化镓用电解电容器”不过是电解电容器制造商忽悠用户的噱头而已。