325
氮化鎵器件是第三代功率半導(dǎo)體器件。在相同的驅(qū)動(dòng)能力下，其開關(guān)速度可以達(dá)到MOSFETR的數(shù)十倍，可以在10ns時(shí)間內(nèi)完成10~100A的電流接通或關(guān)斷；導(dǎo)通電壓低，大約是600V硅MOSFET導(dǎo)通電壓的五分之一！接近于普通硅二極管正向電壓，甚至可能比硅二極管導(dǎo)通電壓還低！這些優(yōu)點(diǎn)是硅器件遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法比擬的。因此，氮化鎵FET的普遍應(yīng)用是遲早的事。
現(xiàn)在氮化鎵場(chǎng)效應(yīng)晶體管開始步入應(yīng)用，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從下里巴人到陽春白雪。最先應(yīng)用氮化鎵FET的是手機(jī)充電器。其主要目的是通過提高開關(guān)頻率減小充電器的體積；利用氮化鎵FET的低導(dǎo)通電壓，減少損耗。
行業(yè)普遍認(rèn)為：提高頻率，無源元件（電感變壓器、電容）首先可以大大地減小體積，加上氮化鎵FET的高效率開關(guān)，整機(jī)體積明顯減小是必然的。由于對(duì)電容器體積減小到需求，整機(jī)制造業(yè)倒逼電容器制造業(yè)將電容器體積減小。首當(dāng)其沖的就是電解電容器！
在這個(gè)大趨勢(shì)下，“氮化鎵FET用電解電容器”應(yīng)運(yùn)而生！
接下來的問題是這款“氮化鎵FET用電解電容器”在性能上有哪些提升？是否很好的適應(yīng)氮化鎵FET的工作狀態(tài)？
需要清楚的是：電解電容器在充電器中的作用。50/60Hz的整流濾波，或?qū)?0/60Hz的整流輸出電壓進(jìn)行“平滑”，因此英文的整流濾波電容器稱之為平滑電容器。這就需要整流濾波電容器具有足夠的電容量和足夠的耐壓。在沒有PFC電路條件下，手機(jī)充電器的輸入整流濾波電容器需要1μF/W的電容量。這就導(dǎo)致了即便是用氮化鎵FET、大幅度提高開關(guān)頻率，也無法改變這個(gè)電容量！電解電容器的體積也不會(huì)減小。
在用戶“逼迫”之下，積淀了縮體電解電容器制造經(jīng)驗(yàn)的電解電容器制造商開始在縮體方面滿足手機(jī)充電器制造商的心理需求，制造出“氮化鎵FET用電解電容器”。可以肯定的是，電解電容器的體積得到減小。
接下來的問題是，該電解電容器的性能除了體積的減小還有什么提升？結(jié)論是，制造工藝沒有本質(zhì)性改變時(shí)，電解電容器的寄生電感ESL無法得到大幅度降低，而且電解電容器的ESL與薄膜電容器相比是高的，相對(duì)MLCC更是不止高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，甚至兩三個(gè)數(shù)量級(jí)。
由于氮化鎵FET充電器的開關(guān)頻率從硅MOSFET的約150kHz提升到500kHz左右，需要電解電容器適應(yīng)這個(gè)頻率的低阻抗性能，由于開關(guān)頻率已經(jīng)到了500kHz，這個(gè)頻率已經(jīng)超出10μF/400V規(guī)格電解電容器的自諧振頻率。
在這個(gè)開關(guān)頻率下，電解電容器已經(jīng)呈現(xiàn)電感特性。而輸入整流濾波的后級(jí)是反激式開關(guān)電源，向整流輸出索取的電流波形是鋸齒波電流，高次諧波極其豐富，影響最大的是三次諧波（二次諧波電流分量也可能很大），對(duì)應(yīng)的頻率在1MHz，如果是五次諧波，對(duì)應(yīng)的頻率就是2.5MHz，在這樣的狀態(tài)下電解電容器的ESL對(duì)應(yīng)的感抗將變得很大，吸收如此高頻率的紋波電流變得困難，致使這些紋波電流中的相當(dāng)比例流入直流母線而不是電解電容器，造成直流母線電壓疊加比較高幅值的MHz級(jí)紋波電壓。
對(duì)于手機(jī)充電器制造商而言，這個(gè)結(jié)果是絕對(duì)不希望出現(xiàn)的，其結(jié)果是：或者無奈的吞下這個(gè)苦果，或者是在直流母線并接高壓低寄生電感的MLCC。
對(duì)于如此高頻率的紋波電流，由于電解電容器的分布性寄生電感的存在，高頻紋波電流只能流過導(dǎo)針附近的鋁箔箔，這導(dǎo)致導(dǎo)針附近正極箔電流密度過大，出現(xiàn)嚴(yán)重“過電流”現(xiàn)象，其結(jié)果就是在導(dǎo)針附近首先出現(xiàn)“水合”現(xiàn)象和干包現(xiàn)象，用于MHz級(jí)濾波的電解電容器如果出現(xiàn)早期失效，通過解剖看到，在導(dǎo)針附近干包程度最嚴(yán)重，水合也最嚴(yán)重。
要想改變這個(gè)局面，必須極大地降低電解電容器寄生電感ESL。最簡(jiǎn)單的辦法就是負(fù)極延伸，并且用激光焊接將延伸的負(fù)極箔焊接。這種方式僅僅解決了負(fù)極的寄生電感問題。正極箔的寄生電感仍然沒有得到解決。要想消除正極箔卷繞寄生電感需要革命的制造工藝。
在沒有革命性釘卷工藝問世前，“氮化鎵用電解電容器”不過是電解電容器制造商忽悠用戶的噱頭而已。
