随着碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体技术在新能源汽车、光伏储能、数据中心和工业电源等领域的广泛应用，整个电力电子系统正朝着更高效率、更高功率密度和更小体积的方向快速发展。这类器件凭借其高频、高压、高温的特性，显著提升了系统性能，但同时也将压力传导至整个系统设计的每一个环节。其中，作为最基础的无源元件之一，电容器的角色正变得愈发关键，其面临的挑战也前所未有。在传统电源架构中，电容器更多是作为储能和滤波的“配角”存在。然而，在第三代半导体驱动的高频开关（可达数百kHz甚至MHz）应用中，电容器需要承受更高的纹波电流、更严苛的电压应力和更剧烈的温度变化。同时，整机小型化趋势要求电容器在有限的空间内提供更大的有效容量，这直接对电容器的容量密度、等效串联电阻（ESR）、等效串联电感（ESL）、耐纹波电流能力和长寿命可靠性提出了极限要求。这一系列新要求，使得电容器的迭代速度必须跟上甚至超越功率器件的发展。然而，传统电容器技术，尤其是液态铝电解电容，经过数十年的发展，其材料体系和结构设计已接近物理瓶颈。单纯依靠某一环节的改进难以实现突破，需要从材料配方、内部结构、制造工艺到封装技术的系统性创新。这种“被动”元件与“主动”器件发展速度的不匹配，已成为制约第三代半导体方案全面落地的瓶颈之一。在近日举行的PCIM展会上，上海永铭电子股份有限公司展示了其在应对这一挑战上的技术路径。该公司副总裁张庆涛分享了与多家行业领先企业合作的五个案例，揭示了如何通过系统性创新，为第三代半导体应用提供匹配的电容器解决方案。上海永铭电子股份有限公司副总裁张庆涛案例一：与纳微（Navitas）氮化镓协同的AI服务器电源解决方案随着AI算力需求的持续增长，对服务器电源的功率密度和能效提出了更高要求。在1U高度的电源模块中，电容器作为体积最大的元件之一，其小型化成为制约整机设计的核心痛点。该方案的技术挑战在于，电容器体积相比传统方案需减少50%以上，同时在105℃工作温度下的寿命需达到6000小时，容量衰减控制在8%以内，以确保整机十年的使用寿命。针对此需求，永铭电子选用了其自主研发的IDC3系列450V/1400μF（尺寸：30x70mm）牛角型液态铝电解电容器。这是一款高容量密度的液态牛角电容。在提升功率密度的同时，必须缩小电容体积，保持甚至提升容量密度，并满足更高的耐纹波电流、耐压等要求，这对电容器提出了极高挑战。图1：基于IDC3系列450V/1400μF牛角型液态铝电解电容器（左）的纳微（Navitas）氮化镓AI服务器电源解决方案（右）传统电容器经过数十年发展，容量密度已接近瓶颈。为实现突破，永铭电子从材料、设计、工艺、设备到生产流程，每一个环节都进行了全面改进。最终，将这款电容的容量密度提升了约70%，使整机模块体积减少了55%。同时，在105℃、额定电压下的负载寿命测试中，容量衰减可控制在8%以内。面对AI服务器大功率、高纹波电流的应用场景，该电容器的纹波电流能力可提升至19A，大幅节省了空间布局，满足了整机需求。与日系同类产品相比，永铭电子在体积不变的情况下，将容量密度从13.64μF/cm³提升至23.29μF/cm³，整整提升了70.7%。这一方案不仅实现了小型化，还显著提升了电源效率1%~2%，并使系统温升降低了10℃，为AI服务器的稳定运行提供了坚实保障。案例二：与英飞凌（Infineon）氮化镓协同的480W轨交电源解决方案这是一个高功率轨交电源应用，设备需在-40℃至65℃的宽温域内长期可靠运行。客户原计划采用一款日系450V高压输入端液态电解电容，要求纹波电流能力大于6A，并对高频纹波发热有严格要求。在测试日系产品时，发现在65℃至-45℃的温度循环过程中，纹波电流表现不佳，存在可靠性问题，具体表现为在-40℃低温启动及高低温循环测试中出现鼓包失效。永铭电子接到需求后，深入分析了应用环境，推出了LK系列450V/68μF（尺寸：16x25mm）产品。该产品在体积上大幅缩减，同时保持了68μF的容量，实现了“更大容量、更小体积”。图2：永铭LK系列450V/68μF，及其在英飞凌480W轨交电源解决方案中的应用更重要的是，该方案解决了原产品在-40℃低温环境下电容鼓包的问题，显著提升了产品的可靠性和环境适应性。永铭电子的方案在-40℃低温下容衰率控制在10%以内，105℃高温寿命长达12000小时，耐受纹波电流高达7.8A，整机效率提升了1%~2%，体积缩小了60%，并且在严苛测试中通过率达到了100%，完全满足轨道行业十年以上的运营要求。案例三：与兆易创新（GigaDevice）深度合作的3.5kW充电桩方案这是永铭电子在新能源充电领域的又一重要突破。该方案的技术挑战源于高频开关技术的普及：PFC开关频率高达70kHz，LLC开关频率在94kHz至300kHz之间，导致输入侧纹波电流激增至17A以上，同时芯子温升成为影响10-20年长寿命目标的关键风险点。为应对挑战，永铭电子与兆易创新深度协同，采用其GD32G553高性能MCU，配合纳微的GaNSafe™高功率氮化镓芯片和GeneSiC™第三代快速碳化硅器件，共同打造了这一高效方案。在电容器方面，采用了内部多极耳并联结构，有效降低了ESR和ESL，提升了高频电流的均流能力。永铭电子的CW6系列高性能电容器（500V/390μF 35*45mm）在100kHz下的高频ESR典型值仅为7mΩ，相较于常规产品（12mΩ）的损耗降低了42%。在相同体积下，其承载能力提升了33%，轻松应对7kW及以上的高功率需求。该方案实现了137W/in³的超高功率密度，系统峰值效率达到96.2%，PF为0.999，THD低至2.7%，完全满足电动汽车充电桩高可靠性及10-20年长寿命的严苛要求，为客户打造了更小、更高效、更可靠的800V平台产品。图3：永铭CW6系列高性能电容器及其在兆易创新3.5kW充电桩方案中的应用案例四：与安森美（onsemi）配合的300kW电机控制器薄膜电容（DC-Link）该方案应用于新能源汽车主驱逆变器的直流链路（DC-Link）电路，永铭电子提供了一款定制化的DC-link薄膜电容器。在碳化硅器件高频、高dV/dt的应用环境下，DC-Link电容需具备极低的等效串联电感（ESL）以吸收电压尖峰，并能在125℃高温下长期工作。在容量密度方面，永铭电子同样实现了大幅跃升。通过采用多引脚加叠层的内部结构设计，将等效串联电感（ESL）有效降低至3.5nH以下，能有效吸收碳化硅器件开关过程中的电压尖峰，保护器件安全。该方案使整机效率提升至98.5%，碳化硅开关损耗降低20%，功率密度提升（体积减少35%），重量减轻30%。电容器自身温升小于15℃。图4：基于永铭电子定制化DC-link薄膜电容器的安森美300kW电机控制器整体而言，系统转换效率更高，续航里程提升约5%，并支持瞬间大电流放电，显著提升了车辆的加速性能和客户驾驶体验。该方案已成功匹配安森美300kW电机控制器，单位体积容量提升了30%，在125℃下的寿命超过1万小时，完全满足30万公里整车寿命要求，为新能源汽车的高效、可靠运行提供了核心支持。案例五：英伟达（NVIDIA）AI服务器GB300 BBU备用电源方案在英伟达AI服务器GB300中，GPU算力剧烈波动，对备用电源的响应速度提出了“毫秒级”要求。传统电池方案因化学反应机制限制，响应速度慢、循环寿命有限，难以满足此类高动态负载场景的严苛需求。该方案最初由日本厂商提供，采用锂电容（Li-Cap）技术。永铭电子在对该方案进行深入研究的基础上，自主研发并推出了可替代的PPS（Power Pulse Supercapacitor）模组——SLF4.0系列，4500F方形铝壳超级电容器组件。该产品系列为LIC方形锂离子超级电容，具体型号为SLF 4.0V 4500F，其内阻低于1mΩ，循环寿命超过100万次，支持10分钟快充。图5：永铭LIC方形锂离子超级电容及其在英伟达AI服务器GB300中的应用在性能方面，该方案展现出显著优势：体积较原方案降低50%-70%，重量减轻50%-60%。充放电效率提升5倍以上，支持10秒至10分钟的快速充放电。单个模组支持15-21kW功率输出，能够完美匹配GB300的峰值功耗需求，并具备100万次以上的循环寿命，可确保6年以上的可靠运行。该方案不仅在性能上实现了对现有产品的超越，更创新性地采用“超级电容+BBU”的混合储能架构，利用超级电容实现毫秒级瞬时功率补偿，BBU负责分钟级长时能量后备，从根本上解决了传统方案响应延迟、循环寿命短、维护成本高等痛点，实现了电源系统稳定性与全生命周期成本的双重优化。结语综合来看，这些案例反映出一个共同趋势：在第三代半导体应用中，电容器已不再是简单的配套元件，而是系统性能的关键影响因素。其技术突破依赖于从材料、结构到工艺的全链条创新。上述案例表明，通过与产业链上下游的协同创新，针对不同应用场景的核心挑战提供定制化解决方案，是推动无源元件与功率器件协同发展的有效路径，为行业应对技术迭代挑战提供了有价值的实践参考。
