【導讀】制造商和消費者都在試圖擺脫對化石燃料能源的依賴(lài)，電氣化方案也因此廣受青睞。這對于保護環(huán)境、限制污染以及減緩破壞性的全球變暖趨勢具有重要意義。電動(dòng)汽車(chē) (EV) 在全球日益普及，眾多企業(yè)紛紛入場(chǎng)，試圖將商用和農業(yè)車(chē)輛 (CAV) 改造成由電力驅動(dòng)。
制造商和消費者都在試圖擺脫對化石燃料能源的依賴(lài)，電氣化方案也因此廣受青睞。這對于保護環(huán)境、限制污染以及減緩破壞性的全球變暖趨勢具有重要意義。電動(dòng)汽車(chē) (EV) 在全球日益普及，眾多企業(yè)紛紛入場(chǎng)，試圖將商用和農業(yè)車(chē)輛 (CAV) 改造成由電力驅動(dòng)。
然而，這種轉變使得電能需求快速增長(cháng)，給電網(wǎng)帶來(lái)了極大的壓力。盡管能效很高，但電動(dòng)汽車(chē)、數據中心、熱泵等應用仍需要大量能源才能運行。
太陽(yáng)能、風(fēng)能、波浪能等新型可再生能源受到廣泛歡迎，正逐漸成為主流。只有完全使用可再生能源的應用，才能被視為真正的“清潔”應用。
太陽(yáng)能市場(chǎng)已經(jīng)發(fā)展多年，相對成熟。Fortune Business Insights 的報告顯示，目前太陽(yáng)能市場(chǎng)規模估計為 2730 億美元，到 2032 年有望增長(cháng)到 4360 億美元。2023年，北美太陽(yáng)能市場(chǎng)占比超過(guò)了 40%。
可再生能源應用中的電源轉換挑戰
太陽(yáng)能發(fā)電量正在迅速增長(cháng)。國際能源署 (IEA) 的數據表明，2022 年，太陽(yáng)能產(chǎn)生的電力比上一年度增長(cháng) 26%，達到 1300 TWh。這標志著(zhù)太陽(yáng)能發(fā)電已超越風(fēng)電，成為最大的可再生電力來(lái)源。
太陽(yáng)能光伏 (PV) 板產(chǎn)生直流電 (DC)，而電網(wǎng)需要交流電 (AC)，因此中央光伏逆變器是大型并網(wǎng)裝置不可或缺的一部分。光伏板產(chǎn)生的所有能量都會(huì )經(jīng)過(guò)逆變器，因此逆變器效率具有重要影響。盡管太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，但轉換效率低下會(huì )導致輸送到電網(wǎng)的能量十分有限。過(guò)程中所浪費的能量會(huì )轉化為熱量，進(jìn)而又會(huì )構成嚴峻挑戰，因為許多太陽(yáng)能裝置通常位于陽(yáng)光充沛、溫度較高的環(huán)境，如沙漠。
成本也是非常重要的考慮因素，可直接影響消費者的電費以及電力公司的盈利。為實(shí)現更高功率，許多中央逆變器并聯(lián)使用多個(gè)轉換模塊，具體數量由每個(gè)模塊的額定功率決定。每個(gè)模塊功率容量越高，所需模塊就越少，進(jìn)而可以降低成本。
盡管電動(dòng)汽車(chē)已經(jīng)取得了長(cháng)足進(jìn)步，但 CAV 在向電力驅動(dòng)轉變方面仍進(jìn)展緩慢。CAV 體型較大，每次行駛消耗的燃料和產(chǎn)生的排放也更多，雖然數量上僅占汽車(chē)總量的 2%，但其溫室氣體排放量占交通運輸排放總量的 28%。雖然商用客運車(chē)（如公共汽車(chē)）的電動(dòng)化已經(jīng)初見(jiàn)成效，但大多數大型卡車(chē)、建筑機械和農業(yè)車(chē)輛（如拖拉機）仍然依賴(lài)柴油驅動(dòng)?，F在，情況開(kāi)始發(fā)生變化。為達到歐盟、中國和美國加州等全球市場(chǎng)嚴格的零排放法規要求，預計到 2030 年，電動(dòng)卡車(chē)（純電和混合動(dòng)力）銷(xiāo)量占比將從目前的 5% 增加到 40%-50%。
相較于化石燃料商用車(chē)，電動(dòng)商用車(chē)結構更簡(jiǎn)單，運動(dòng)部件更少。在載重能力相同的情況下，電動(dòng)車(chē)體積更小、可靠性更高、維護相關(guān)成本更低。目前電池成本大幅降低，電動(dòng) CAV 的總擁有成本已經(jīng)低于內燃機 (ICE) 車(chē)輛。
與太陽(yáng)能應用類(lèi)似，效率也是電動(dòng) CAV 的關(guān)鍵要求。每輛車(chē)的電池電量有限，逆變器中轉換過(guò)程的效率越高，車(chē)輛行駛距離就越長(cháng)?；蛐旭偼瑯拥木嚯x所需的電量就更少。
鑒于未來(lái)我們對太陽(yáng)能和電動(dòng) CAV 的依賴(lài)，可靠性自然也就變得非常重要。
面向逆變器應用的先進(jìn)電源技術(shù)
在三相太陽(yáng)能光伏逆變器等的高功率應用中，三電平有源中性點(diǎn)箝位 (ANPC) 轉換器是比較常見(jiàn)的拓撲。這種多電平拓撲結構專(zhuān)門(mén)用于提升系統的性能和效率。
普通中性點(diǎn)箝位 (NPC) 轉換器使用二極管將直流鏈路電容的中性點(diǎn)連接到輸出端。在 ANPC 配置（圖 1）中，箝位由開(kāi)關(guān)執行，因此能夠改善控制、減少開(kāi)關(guān)損耗并提高效率，并且能相應地減少對散熱措施的需求，從而有助于實(shí)現尺寸更小、成本更低的方案。
拓撲結構的布置方式降低了各個(gè)開(kāi)關(guān)上的電壓應力，從而提高了可靠性。此外，ANPC 還能實(shí)現對電網(wǎng)有利的波形。
圖 1：可利用模塊輕松構建 ANPC 轉換器
設計工程師可以通過(guò)并聯(lián)多個(gè)功率模塊，例如安森美 (onsemi) 的 QDual 3 IGBT 模塊，創(chuàng )建高性能三電平有源中性點(diǎn)箝位模塊，其系統輸出功率可達 1.6 MW 至 1.8 MW。
圖 2：QDual3 IGBT 模塊
QDual 3 模塊集成了新一代 1200 V 場(chǎng)截止 7 (FS7) IGBT 和二極管技術(shù)，可為大功率應用提供更優(yōu)異的性能。與前幾代產(chǎn)品相比，FS7 技術(shù)顯著(zhù)改善了導通損耗。
圖 3：FS7 技術(shù)增強了關(guān)鍵性能參數
在 FS7 IGBT 工藝中，溝槽窄臺面帶來(lái)了低 VCE(SAT) 和高功率密度，而質(zhì)子注入多重緩沖確保了穩健性和軟開(kāi)關(guān)特性（圖 2）。安森美中速 FS7 器件的 VCE(SAT) 低至 1.65V，適用于運動(dòng)控制應用；而其 FS7 快速產(chǎn)品的 EOFF 僅 57 μJ/A，是太陽(yáng)能逆變器和 CAV 等高功率應用的理想選擇。
圖 4：FS7 IGBT 尺寸更小，功率密度更高
創(chuàng )新型 FS7 技術(shù)使新型 QDual3 模塊中的芯片尺寸比上一代縮小了 30%（圖 3）。這種小型化與先進(jìn)的封裝相結合，可以顯著(zhù)提高最大額定電流。在工作溫度高達 150 攝氏度的電機控制應用中，QDual3 的輸出功率為 100 kW 至 340 kW，比目前市場(chǎng)上的其他產(chǎn)品高出大約 12%。
可靠性是太陽(yáng)能和 CAV 應用的關(guān)鍵，因此模塊的構造和測試方式至關(guān)重要。例如，目前有許多類(lèi)似方案使用引線(xiàn)鍵合方式來(lái)固定端子，而安森美則選擇采用超聲波來(lái)焊接模塊。后者有助于增強電流承載能力，提供更優(yōu)散熱路徑，并且比前者更為堅固（圖 4）。
圖 5：超聲波焊接可降低溫度并增強可靠性
這種方法可以提高電導率，從而減少電力損失、提升效率。此外還能降低工作溫度、增強機械剛度，以及提高模塊的整體可靠性。
安森美的新型高功率 QDual3 技術(shù)
專(zhuān)用 QDual 3 半橋 IGBT 模塊NXH800H120L7QDSG 適用于中央太陽(yáng)能逆變器、儲能系統(ESS)、不間斷電源(UPS)；而 SNXH800H120L7QDSG 則適用于 CAV。這兩款器件均基于 FS7 技術(shù)打造，VCE(SAT) 和 EOFF 有所改進(jìn)，進(jìn)而降低了損耗、提高了能效。
目前，若使用 600 A IGBT 模塊以 ANPC/INPC 架構來(lái)設計 1.725 MW 逆變器，總共將需要 36 個(gè)模塊。然而，若使用額定工作電流為 800 A 的新型 NXH800H120L7QDSG 和 SNXH800H120L7QDSG，設計所需模塊數量將減少 9 個(gè)。相應地，設計的尺寸、重量和成本將節省 25%。這對于太陽(yáng)能應用和 CAV 應用來(lái)說(shuō)都非常有價(jià)值，因為重量減輕和效率提高，將使得車(chē)輛行駛里程有所增加。
圖 6：更大的電流能力支持使用更少的模塊來(lái)構建系統
這些模塊包含用于熱管理的隔離底板和集成的 NTC 熱敏電阻，并支持通過(guò)可焊接引腳將模塊直接安裝到 PCB 上，采用行業(yè)標準布局，有助于輕松將現有設計升級到新型 QDual3 技術(shù)。
安森美的所有 QDual3 模塊均經(jīng)過(guò)嚴格的可靠性測試，其可靠性水平超過(guò)市場(chǎng)上的其他同類(lèi)器件。我們的濕度測試要求產(chǎn)品承受 960V 偏壓長(cháng)達 2000 小時(shí)，而同類(lèi)器件僅需承受 80V 偏壓 1000 小時(shí)。振動(dòng)測試對于 CAV 應用至為關(guān)鍵，我們的產(chǎn)品在 30 G 峰值/10G RMS 條件下進(jìn)行了長(cháng)達 22 小時(shí)的測試，可滿(mǎn)足 AQG324 要求。其他器件則是在振動(dòng)水平低至 5 G 的條件下進(jìn)行測試，持續時(shí)間短至 1 小時(shí)。
總結
全世界的可再生能源使用率越來(lái)越高，電網(wǎng)正承受著(zhù)巨大壓力。太陽(yáng)能發(fā)電已經(jīng)發(fā)展成熟，2022 年更是超過(guò)風(fēng)電，成為可再生電力的主要來(lái)源。
盡管化石燃料驅動(dòng)的車(chē)輛仍是主要的污染源，但 CAV 的電氣化正在穩步推進(jìn)，目前已初見(jiàn)成效。
安森美 FS7 等新型半導體技術(shù)支持開(kāi)發(fā)低損耗、大功率器件，以滿(mǎn)足這些領(lǐng)域的效率和可靠性需求?；谶@項技術(shù)，安森美的新型 QDual3 器件采用緊湊封裝，可實(shí)現高功率密度和出色能效。焊接良好的端子和超越業(yè)內其他器件的認證測試助力保障 QDual3 器件的穩健性能。
新一代 NXH800H120L7QDSG 和 SNXH800H120L7QDSG 模塊電流能力高達 800 A，得益于此，逆變器設計所需的模塊可減少 25%，并能夠進(jìn)一步簡(jiǎn)化設計、減小其體積、質(zhì)量并降低成本。
這無(wú)疑是一項重大進(jìn)展，安森美將繼續潛心鉆研 FS7 技術(shù)的高性能潛力，力求推出更多超越現有標準的模塊，從而滿(mǎn)足太陽(yáng)能行業(yè)和 CAV 制造商不斷增長(cháng)的需求。
（作者：安森美產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理 Jinchang Zhou）
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