从可再生能源到储能系统，从电动汽车到工业电机驱动……伴随着全球新能源的开发和电气化应用的拓展，电力电子行业已驶上发展的快车道，由此也拉动着相关被动元件元件市场的快速增长。
在电子电路设计中，电容器、电感器、电阻器、滤波器等被动元件，虽然不像核心半导体器件那样“自带主角光环”，但也是不可或缺的重要角色。具体到电力电子系统中，被动元件在三个关键的场景中当仁不让，发挥着独特的作用。
电路保护与安全
在电力电子系统中，电容器、电阻器等被动元件常被用于保护电路免受过大电流或高电压的冲击，它们通过吸收或耗散这些潜在的破坏性能量，确保系统的稳定运行。
能量储存与缓冲
电容器和电感器等元件具有储能的作用，可将瞬间产生的能量暂时储存起来，并在需要时释放，或者让波动的电流、电压变得更平滑，这对于电力电子系统实现能量高效转换至关重要。
滤波与稳压
通过电感和电容等被动元件构建的滤波器，可以有效抑制共模与差模传导干扰，使系统能够满足电磁兼容（EMC）规范的要求；其也可对开关纹波进行衰减，保证输出电压、电流的“纯净”。
由此可见，在电力电子系统中，被动元件虽然不直接参与能量转换等“核心工作”，但它们对保障系统稳定、高效、可靠且合规地运行至关重要，被动元件表现不佳，电力电子系统的整体性能和可靠性也会大打折扣。
电力电子系统中的被动元件
值得注意的是，随着电力电子应用向大功率、高电压、高频率、高可靠等趋势演进，以及SiC、GaN等第三代宽禁带半导体器件的应用，面向电子电力系统的被动元件也面临着新的挑战。
高功率的挑战
承载更高的功率，是市场对电力电子系统的核心诉求之一，但功率的增加势必会增加大电流下导通损耗（I2R）和磁芯损耗带来的热失控风险，这对于被动元件的热管理和低功耗设计提出了更大的挑战。与此同时，元件的小型化也会让功率密度急剧增加，给这一挑战“加码”。
高压化的挑战
为了支持更大的功率，提升电源系统的电压已成为一个重要的技术路径，比如电动汽车配电系统已经在向800V架构迁移，这对被动元件的耐压能力提出了更高的要求。而且，高压条件下局部放电风险会显著增加，因此在元件设计时需要在足够的爬电距离和电气间隙，与小型化需求之间进行权衡，以获得更优方案。
高频化的挑战
SiC/GaN器件的应用，大大提升了电能转换时的开关频率，也允许使用更小尺寸的外围元件，让实现系统设计的小型化成为可能。不过，高频化带来的挑战也不容忽视：一方面高频开关会带来额外的噪声，造成EMI问题；另一方面，元件的寄生参数（ESR/ESL）的影响也会随着高频化被“放大”，成为影响系统功耗和性能的瓶颈。这都需要在被动元件开发时予以仔细考量。
高可靠性的挑战
符合安规要求、对极端环境具有更强的适应力、确保在长生命周期中性能的一致性……电力电子系统开发者对这些高可靠性要求都不陌生，同时也会感受到高功率、高电压、高频化的趋势下对被动元件可靠性设计带来的新挑战。
为了应对上述的挑战，被动元件厂商一直在对产品进行优化，以积极响应电力电子行业的发展诉求；从系统开发者的角度，则要根据具体的应用场景，合理地选择被动元件，实现设计要求，满足市场所需。
下面我们将以TDK的三款产品为例，带大家一起去探索，满足高压、高功率、高可靠电力电子系统开发的被动元件应该什么样，以及它们会为系统整体性能的提升带来哪些独特的价值。
可靠的直流支撑
直流支撑电容器，又称DC-Link电容器，是电力电子设备直流母线中的关键被动元件，其主要作用是吸收功率器件开关产生的高频纹波电流，并抑制母线电压突变，为系统提供稳定的直流电压支撑，也被称为电力电子系统中的“稳定器”。
既然是“稳定器”，那么直流支撑电容器自身的可靠性尤为关键，因此具有超高稳定性的薄膜电容器，成为了直流支撑电容器的首选。
TDK的B3271金属化聚丙烯（MKP）薄膜电容器，就是一款专为DC-Link应用而设计的产品，其采用高电压和低损耗设计，兼具高电流性能，具备自愈性、低ESR和高纹波电流能力，尤其适合高频、快速开关场景，非常适用于变频器、工业与高端电源以及太阳能逆变器等应用。
B3271电容器可在高达125°C的温度下可靠运行，其阻燃塑料外壳和环氧树脂密封可确保产品耐用性，且符合UL 94 V-0标准，符合RoHS标准，满足AEC-Q200E车规级可靠性要求。
此外，B3271电容范围0.47μF至110μF，提供2引脚或4引脚选项，方便工程师根据不同应用优化设计，更大限度满足电力电子系统DC-Link应用所需。
图1：B3271直流支撑电容器（图源：TDK）
紧凑的高压共模干扰抑制方案
高效抑制EMI，是功率转换器、工业电机驱动器及开关电源等电力电子应用的一大痛点。而且，随着SiC和GaN等新一代功率半导体的应用和部署，系统直流母线电压更高，在相应的元件设计时，特别需要在提高绝缘耐压与提升板载空间利用率上进行权衡和优化。
TDK的B82722V6高压共模扼流圈就是按照这样的设计理念打造的解决方案，其利用共模电流产生的磁场在磁芯中相互叠加，形成高阻抗来阻碍共模噪声，由于采用紧凑的垂直结构，用户能够在不增加PCB占位面积情况下实现1250VDC高压特性，这是普通共模扼流圈难以做到的。
具体来讲，B82722V6的额定电感值为3.3mH至22mH，额定电流为0.85A至3A，额定环境温度为+70°C；由于采用多层固体绝缘构造和并通过了3750V电压测试，因此其可实现强大的电气隔离。同时，基于独特的自动绕制技术，B82722V6公模扼流圈的典型杂散电感仅0.6%，确保了在高频开关下依然能高效抑制EMI。
此外，B82722V6的铁氧体磁芯的环氧涂层及塑料底座符合UL 94 V-0阻燃等级，产品设计满足IEC 60938-2及IEC/UL 60939-3标准中针对EMI扼流圈与滤波器的安全要求，可以很好地满足系统设计在安全合规方面的要求，是紧凑型共模干扰抑制应用的理想之选。
图2：B82722V6高压共模扼流圈（图源：TDK）
坚固的汽车应用EMC防线
有经验的工程师都知道，电力电子系统的EMI治理是一个系统性的工作，必须全方位施力，“封堵”住所有可能的干扰源。
如果说，上文提到的B82722V6扼流圈是抑制共模干扰的“专家”，那么TDK的CarXield B84252电源EMC滤波器就是一个全能的“多面手”，既可压制内部噪声，又能抵御外部干扰，可同时有效抑制共模和差模噪声，确保敏感设备的可靠运行，特别适合于xEV动力逆变器应用等EMI噪声抑制。
CarXield B84252电源EMC滤波器适用于500V和1000V的高电压系统，额定电流高达400A（环境温度+85°C时），瞬态峰值电流可达1000A，而典型直流电阻仅为0.1mΩ，实现了低损耗与大电流的均衡。
此滤波器采用纳米晶磁芯技术，集成X2或Y2电容及被动放电电路，可在严苛工况下确保高耐用性，且外形更为紧凑。
作为一款通过汽车标准验证的EMI解决方案（包括AEC-Q200认证、MBN LV 124试验验证），CarXield B84252电源EMC滤波器有助于客户缩短开发周期，简化标准化生产流程，加速产品的上市。
总之，CarXield作为一个独立、强大的滤波模块，易于安装、设计紧凑、可靠性高，可直接放置在高电流路径上，为整个汽车高压系统提供一道坚固的EMC防线，确保系统能通过严苛的车规级EMC测试。
图3：CarXield B84252电源EMC滤波器（图源：TDK）
本文小结
全球电力电子市场正在快速发展，同时电力电子技术也正处于从传统硅基器件向新一代SiC/GaN器件升级的关键节点，这为被动元件的发展带来了机遇，也提出了新的挑战。
面对电力电子系统高压、高功率、高频、高可靠的发展趋势，市场需要全新优化的被动元件产品来补位。本文所展示的TDK公司的被动元件“三件套”，正是代表着未来电力电子领域被动元件进化方向的解决方案。
文章来源：贸泽电子