氮化鎵FET用電解電容器只不過是噱頭？

氮化鎵器件是第三代功率半導體器件。在相同的驅(qū)動能力下，其開關(guān)速度可以達到MOSFETR的數(shù)十倍，可以在10ns時間內(nèi)完成10~100A的電流接通或關(guān)斷；導通電壓低，大約是600V硅MOSFET導通電壓的五分之一！接近于普通硅二極管正向電壓，甚至可能比硅二極管導通電壓還低！這些優(yōu)點是硅器件遠遠無法比擬的。因此，氮化鎵FET的普遍應用是遲早的事。

現(xiàn)在氮化鎵場效應晶體管開始步入應用，從簡單到復雜，從下里巴人到陽春白雪。最先應用氮化鎵FET的是手機充電器。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的低導通電壓，減少損耗。

行業(yè)普遍認為：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)，整機體積明顯減小是必然的。由于對電容器體積減小到需求，整機制造業(yè)倒逼電容器制造業(yè)將電容器體積減小。首當其沖的就是電解電容器！

在這個大趨勢下，“氮化鎵FET用電解電容器”應運而生！

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，手機充電器的輸入整流濾波電容器需要1μF/W的電容量。這就導致了即便是用氮化鎵FET、大幅度提高開關(guān)頻率，也無法改變這個電容量！電解電容器的體積也不會減小。

在用戶“逼迫”之下，積淀了縮體電解電容器制造經(jīng)驗的電解電容器制造商開始在縮體方面滿足手機充電器制造商的心理需求，制造出“氮化鎵FET用電解電容器”?？梢钥隙ǖ氖?，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，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MLCC更是不止高出一個數(shù)量級，甚至兩三個數(shù)量級。

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這個頻率的低阻抗性能，由于開關(guān)頻率已經(jīng)到了500kHz，這個頻率已經(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），對應的頻率在1MHz，如果是五次諧波，對應的頻率就是2.5MHz，在這樣的狀態(tài)下電解電容器的ESL對應的感抗將變得很大，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級紋波電壓。

對于手機充電器制造商而言，這個結(jié)果是絕對不希望出現(xiàn)的，其結(jié)果是：或者無奈的吞下這個苦果，或者是在直流母線并接高壓低寄生電感的MLCC。

對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針附近的鋁箔箔，這導致導針附近正極箔電流密度過大，出現(xiàn)嚴重“過電流”現(xiàn)象，其結(jié)果就是在導針附近首先出現(xiàn)“水合”現(xiàn)象和干包現(xiàn)象，用于MHz級濾波的電解電容器如果出現(xiàn)早期失效，通過解剖看到，在導針附近干包程度最嚴重，水合也最嚴重。

要想改變這個局面，必須極大地降低電解電容器寄生電感ESL。最簡單的辦法就是負極延伸，并且用激光焊接將延伸的負極箔焊接。這種方式僅僅解決了負極的寄生電感問題。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。