作者：Pete Bartolik

投稿人：DigiKey 北美編輯

電動汽車運(yùn)營商不必?fù)?dān)心充電效率和熱穩(wěn)定性，他們只要求高度可靠的交通，每次充電后的續(xù)航里程最長，維護(hù)和維修工作最少。制造商希望車載充電器 (OBC) 的體積盡可能縮小。這一目標(biāo)越來越多地可以通過具有 C0G 特性的多層陶瓷電容器 (MLCC) 實(shí)現(xiàn)。

C0G 也稱為 NP0，是一種 1 類電介質(zhì)陶瓷電容器，電容極其穩(wěn)定：變化接近零，最大允許誤差為 ±30 ppm/°C。這一特性使其具有卓越的運(yùn)行性能，不會因溫度、電壓或使用年限而發(fā)生太大變化，非常適合精密電路和諸如電動汽車 OBC 等性能可靠的應(yīng)用。相比之下，諸如 X7R 等二類 MLCC 的漂移為 ±15%，而薄膜電容器工作時(shí)的漂移通常為 ±2%。

OBC 是高壓 AC/DC 轉(zhuǎn)換器，用于安全高效地通過電網(wǎng)為電動汽車電池充電。C0G MLCC 憑借在電源轉(zhuǎn)換和電磁干擾 (EMI) 濾波方面的高精度、高穩(wěn)定性功能而備受推崇。這類電容器可用于 LLC 振蕩電路、電壓瞬態(tài)緩沖吸收電路、高頻 EMI 抑制濾波器、對直流偏壓敏感的控制電路以及柵極驅(qū)動器和輔助電源。

目前，電動汽車 OBC 的輸出功率通常為 22 kW，因此用于諧振電路功能的電容器必須能夠承受高電壓且損耗高低，從而以緊湊的外形承受更高的功率密度。電容器在確保系統(tǒng)總效率和可靠性方面具有舉足輕重的作用，因此 C0G MLCC 成為一種極具吸引力的設(shè)計(jì)選擇。

C0G 的優(yōu)勢

在這些應(yīng)用中，具有 C0G 特性的 MLCC 與傳統(tǒng)薄膜電容器相比具有關(guān)鍵優(yōu)勢。MCC 可顯著減少安裝面積、抑制發(fā)熱和提高傳輸效率的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)人員可以充分發(fā)揮這些優(yōu)勢，設(shè)計(jì)出更小、更強(qiáng)大的 OBC。

OBC 功率級的開關(guān)動作會產(chǎn)生電磁干擾，而碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙 (WBG) 半導(dǎo)體材料會進(jìn)一步放大電磁干擾。這些材料可實(shí)現(xiàn)超高速開關(guān)動作和高效率，但也會產(chǎn)生陡峭的瞬態(tài)電壓。這種瞬態(tài)電壓通常被稱為高電壓隨時(shí)間變化 (dv/dt) 事件，可超過 50 kV/μs，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的硅 MOSFET 設(shè)計(jì)。

具有 C0G 特性的 MLCC 本質(zhì)上具備固有穩(wěn)定性、無壓電效應(yīng)，且在高頻應(yīng)力下不易發(fā)生熱漂移或電漂移。這類電容器具有出色的脈沖處理能力和低 ESL，非常適用于緩沖電路和共模濾波。

C0G MLCC 具有極低的耗散因數(shù)和高品質(zhì)因數(shù) (Q) 電容。這種組合確保了最小的能量損失和穩(wěn)定的諧振特性，從而可降低熱應(yīng)力，提高功率密度。與 X7R/X5R II 類電介質(zhì) MLCC 相比，這種電容器具有更出色的電氣穩(wěn)定性，可實(shí)現(xiàn)零壓電噪聲并確保高 Q 值性能，這對高頻開關(guān)應(yīng)用來說是至關(guān)重的。

在緩沖網(wǎng)絡(luò)和 EMI 濾波器中，高 Q 值器件有助于確保精確的阻抗特性，從而增強(qiáng)瞬態(tài)抑制和噪聲濾波效果。對于射頻系統(tǒng)和精密模擬電路而言，高 Q 值支持窄帶選擇性和信號完整性，從而實(shí)現(xiàn)更精確的濾波和頻率控制。

由于等效串聯(lián)電阻 (ESR) 比薄膜電容器低，因此可減少自熱，進(jìn)而延長使用壽命。此外，由于減少了組件數(shù)量，使用 C0G MLCC 可延長 OBC 應(yīng)用的平均無故障時(shí)間 (MTTF)。

C0G MLCC 可提升充電體驗(yàn)、增強(qiáng)車輛可靠性以及整體品質(zhì)感，從而顯著影響電動汽車駕駛者和車主的用車體驗(yàn)。C0G MLCC 有助于保障極端工況下的熱穩(wěn)定性，提升能效表現(xiàn)與續(xù)航能力，確保低 EMI 的平穩(wěn)靜音運(yùn)行，為駕駛者創(chuàng)造安心無憂的行車體驗(yàn)。

OBC 的設(shè)計(jì)考慮因素

C0G MLCC 集穩(wěn)定性、低損耗和緊湊外形于一體，是高速、高精度電路的理想之選。但是，在決定使用 C0G MLCC、X7R MLCC 還是薄膜電容器時(shí)，設(shè)計(jì)人員還需要進(jìn)行權(quán)衡。

薄膜電容器的電容更大，可用于高電壓和儲能應(yīng)用，但通常成本較高，體積較大（圖 1）。與薄膜替代品相比，X7R MLCC 結(jié)構(gòu)更緊湊，成本更低，但其電容在 DC 偏壓下會受到很大影響，而且需要降額才能確保電壓穩(wěn)定。

圖 1：典型 600 V 薄膜電容器（左）和 3225 封裝高電壓 C0G MLCC 的外形尺寸對比。(圖片來源：TDK Corporation）

C0G MLCC 與 X7R 相比價(jià)格略高，但能確保穩(wěn)定性更高、性能更優(yōu)，且無需降額。組件總數(shù)量方面的減少至少可以部分地抵消成本差異，從而降低材料總成本。

對于電動汽車 OBC 或其他對功率敏感的汽車系統(tǒng)，使用 C0G MLCC 進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須謹(jǐn)慎選擇組件。供應(yīng)商提供的規(guī)格可能相似，但 ESR、ESL 和結(jié)構(gòu)方面的差異會影響電路調(diào)節(jié)。切勿隨意混用供應(yīng)商的器件，必須通過工作臺測試或仿真來驗(yàn)證所選器件是否合適。

在許多應(yīng)用中，C0G MLCC 正在取代薄膜電容器和 X7R MLCC，例如為 OBC 和其他關(guān)鍵應(yīng)用提供高效、高性能功率轉(zhuǎn)換的諧振電路。集超穩(wěn)定性、微型化和高電壓于一體，使得這些器件成為極具吸引力的設(shè)計(jì)選擇。

TDK 的高電容 C0G MLCC

2025 年，[TDK Corporation]將其 [CGA（汽車級）系列]和[ C（商業(yè)和工業(yè)級）系列] 表面貼裝 C0G MLCC 的電容值增大至 10 納法拉 (nF)，據(jù)信這是業(yè)界額定電壓為 1,250 V 的電容產(chǎn)品中電容最高的一種。這種電容器采用 3225（3.2 x 2.5 x 2.5 mm）盒裝。相比之下，TDK 的高壓 X7R 器件體積較大，最高電壓僅為 630 V。

[C3225 和 CGA6P C0G 系列產(chǎn)品線] 采用優(yōu)化型產(chǎn)品和工藝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了耐高壓性能。這兩個(gè)系列均采用了 3225 外形，因此設(shè)計(jì)人員可以利用它們來減小串聯(lián)安裝中 MLCC 的物理尺寸和數(shù)量（圖 2）。

圖 2：使用薄膜電容器、較低電壓 MLCC 和較高電壓 MLCC 的類似電容器組所需安裝面積的比較。(圖片來源：TDK Corporation）

與替代品相比，TDK C0G MLCC 經(jīng)過優(yōu)化，減少了發(fā)熱，從而可以延長使用壽命并提高可靠性。這種電容器非常適合汽車和商業(yè)應(yīng)用中的諧振和緩沖電路、DC/DC 轉(zhuǎn)換器以及無線充電應(yīng)用。

TDK 的電容器緊湊尺寸，使設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)樾乱淮囂峁└　⒏咝У姆?AEC-2000 標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用。這種電容器的溫度范圍為 -55 至 125°C，可確保在熱沖擊、振動和溫度循環(huán)等惡劣條件下確?？煽康男阅?。

[CGA6P1C0G3B103G250AC] 汽車級 MLCC 的電容為 10 nF，公差為 ±2%。C0G 電介質(zhì)具有出色的溫度穩(wěn)定性，可承受發(fā)動機(jī)艙的高溫和振動。這種材料在高電壓諧振和緩沖電路中特別有用，例如電動汽車充電系統(tǒng)和電力電子設(shè)備中的諧振和緩沖電路。[CGA6P1C0G3B103J250AC] 具有相同的電容，但公差為 ±5%。

C3225 器件具有相同的封裝和溫度范圍特性，但成本更低，專為更溫和、管制更少的商業(yè)和工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)。與 CGA6 系列中的同類產(chǎn)品一樣，[C3225C0G3B103G250AC] 采用相同的 3225 封裝，提供 10 nF 電容和 1,250 V 高額定電壓，電容容差為 ±2%，適合精密應(yīng)用。[C3225C0G3B103J250AC] 的電容為 10 nF，公差為 ±5%。

結(jié)語

設(shè)計(jì)人員可以放心地使用 C0G MLCC 替代較大的薄膜或電解電容器，簡化電路板布局，并提高新一代電源和汽車系統(tǒng)的系統(tǒng)可靠性。TDK 的商用級 C3225 和汽車級 CGA6P C0G MLCC 為高電電壓、高可靠性應(yīng)用提供了極具吸引力的選擇，其緊湊型封裝和電容處于行業(yè)領(lǐng)先水平，并具有超凡的穩(wěn)定性。