【導讀】光伏，作為重點(diǎn)發(fā)展的新質(zhì)生產(chǎn)力，其市場(chǎng)規模仍在迅速發(fā)展擴大中，其技術(shù)迭代也在不斷演進(jìn)升級。英飛凌作為半導體技術(shù)和市場(chǎng)應用的領(lǐng)軍企業(yè)，發(fā)布了一系列具有差異化附加價(jià)值的創(chuàng )新半導體，并同時(shí)推出了一款適用于光伏應用的半橋拓撲評估板，為工程師分享了系統設計的參考方案，并提供了器件性能的評估平臺。
光伏，作為重點(diǎn)發(fā)展的新質(zhì)生產(chǎn)力，其市場(chǎng)規模仍在迅速發(fā)展擴大中，其技術(shù)迭代也在不斷演進(jìn)升級。英飛凌作為半導體技術(shù)和市場(chǎng)應用的領(lǐng)軍企業(yè)，發(fā)布了一系列具有差異化附加價(jià)值的創(chuàng )新半導體，并同時(shí)推出了一款適用于光伏應用的半橋拓撲評估板，為工程師分享了系統設計的參考方案，并提供了器件性能的評估平臺。
光伏電壓平臺的高壓化，可以降低系統成本，提高能量轉換效率，簡(jiǎn)化研發(fā)設計方案，是光伏應用公認的發(fā)展趨勢之一。為了實(shí)現高壓平臺化，離不開(kāi)光伏板，功率器件，無(wú)源器件，結構件等的技術(shù)發(fā)展。我們就功率半導體的發(fā)展，來(lái)看看對于光伏高壓平臺的影響。
圖1. 光伏不同電壓平臺對應的拓撲和器件
如圖所示，對于更高平臺的電壓，可以減小母線(xiàn)電流大小，從而降低走線(xiàn)的尺寸，從而減少成本，同時(shí)，電感，二極管和開(kāi)關(guān)管等器件上流過(guò)的電流也會(huì )減小，從而降低的器件的成本和系統的損耗。使用2000V SiC MOSFET后可以簡(jiǎn)化電路拓撲，降低系統尺寸和重量。
功率器件介紹
圖2. 2000V SiC MOSFET和X3門(mén)極驅動(dòng)器及其絕緣距離
采用英飛凌TO-247PLUS-4pin封裝的2000V SiC MOSFET，新的封裝可以滿(mǎn)足I.S.EN62109-1-2010《用于光伏電力系統的電力轉換器的安全性- 第1部分:一般要求》的安規要求，背部可以實(shí)現三次260°C回流焊，門(mén)極開(kāi)爾文引腳可以降低回路中的寄生電感，從而降低開(kāi)關(guān)中的震蕩尖峰，另外，使用了.XT擴散焊接技術(shù)后，也大大降低了器件的熱阻，整個(gè)系列涵蓋了各種不同導通電阻的器件可供選擇，如15mΩ，30mΩ，60mΩ，90mΩ和120mΩ等。
另外，采用了英飛凌EiceDRIVER? Compact 14A單通道磁隔離門(mén)極驅動(dòng)器1ED3124MU12H， 該器件DSO-8寬體封裝可以實(shí)現>8mm的爬電距離要求，滿(mǎn)足UL1577-2014光隔離器的UL安全標準認證，可以實(shí)現6.8kV耐壓要求，非常適用于IGBT和SiC MOSFET的門(mén)極驅動(dòng)。
安規絕緣要求
圖3. 電氣間隙距離要求
同理，設定工作有效值電壓1500V，污染等級2，材料等級II的情況下，通過(guò)查表10通過(guò)插值法可得爬電距離要求為10.43mm。
圖4. 爬電距離要求
基于以上分析，設計了一款適用于光伏MPPT應用的評估板，功能邏輯框圖和3D設計圖如圖5所示。
圖5. 評估板邏輯框圖和3D設計圖
該評估板使用的半橋拓撲，在GUI上可以十分方便靈活的設置開(kāi)關(guān)使能，PWM頻率，占空比和死區時(shí)間大小，來(lái)分別單獨開(kāi)關(guān)上管或者下管，可以實(shí)現如下的幾種不同的功能。
圖6. 評估板不同應用組合拓撲電路
因為SiC MOSFET的高速開(kāi)關(guān)特性，在PCB設計中，需要格外注意SiC MOSFET的門(mén)極驅動(dòng)回路和功率回路，盡量減小開(kāi)關(guān)回路中寄生的電感，電容和電阻，來(lái)保證系統運行中盡量低的噪音。
圖7. 門(mén)極驅動(dòng)開(kāi)通和斷開(kāi)回路
測試波形
為了驗證評估板的特性，做了一下雙脈沖測試，雙脈沖可以用來(lái)來(lái)驗證器件的開(kāi)關(guān)特性，模擬調試一下開(kāi)關(guān)震蕩（選擇驅動(dòng)電阻大小，吸收電路，開(kāi)關(guān)環(huán)路等）。測試條件是平臺電壓1500V，雙脈沖電流50A。
黃色為VGS，藍色為VDS，綠色為IDS。
圖8. 使用鐵硅鋁繞線(xiàn)電感和使用空心電感對比波形
使用了外接的空心電感，電感量值不會(huì )隨著(zhù)電流大小和溫度而變化。使用了多股線(xiàn)繞制，也降低了趨膚效應。同時(shí)也不存在線(xiàn)圈與磁芯之間的寄生電容，從而不會(huì )有一些異常的電流尖峰，所以雙脈沖測試的結果比實(shí)際應用中的鐵氧體或鐵粉芯電感效果相對要好。
圖9. 使用不同母線(xiàn)電容后對比波形
Ceralink電容和X7R電容都屬于高頻電容，尺寸相對小，放在母線(xiàn)上靠近SiC MOSFET，可以很好的吸收一些高頻的電流和電壓尖峰，通過(guò)如圖9所示的對比，可以看到普通X7R的濾波特性相比容值更大的Ceralink好像還要更好一些。
圖10. 使用不同RC snubber吸收電路后對比波形
如圖10所示，通過(guò)在上管和下管DS端上分別并聯(lián)不同的RC snubber(X7R電容)吸收電路后，雙脈沖測試波形沒(méi)有十分明顯的改善，說(shuō)明snubber對于吸收震蕩尖峰的效果不是很明顯。
總結
設計了一種適用于光伏MPPT的評估板，介紹了設計的背景需求，設計的框架，功率器件和門(mén)極驅動(dòng)器的選擇，安規規范的要求，電路設計的要點(diǎn)，最后給出了一下測試和調試的波形和經(jīng)驗，選擇一款性能優(yōu)良的功率管，并在布板設計時(shí)候充分考慮減小開(kāi)關(guān)回路，可以極大的節省調試研發(fā)時(shí)間，提升整體系統的質(zhì)量。
（作者： 施三保，文章來(lái)源：英飛凌工業(yè)半導體）
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