光伏，作為重點(diǎn)發(fā)展的新質(zhì)生產(chǎn)力，其市場(chǎng)規(guī)模仍在迅速發(fā)展擴(kuò)大中，其技術(shù)迭代也在不斷演進(jìn)升級(jí)。英飛凌作為半導(dǎo)體技術(shù)和市場(chǎng)應(yīng)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(dǎo)體，并同時(shí)推出了一款適用于光伏應(yīng)用的半橋拓?fù)湓u(píng)估板，為工程師分享了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的參考方案，并提供了器件性能的評(píng)估平臺(tái)。

1 光伏應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)

光伏電壓平臺(tái)的高壓化，可以降低系統(tǒng)成本，提高能量轉(zhuǎn)換效率，簡(jiǎn)化研發(fā)設(shè)計(jì)方案，是光伏應(yīng)用公認(rèn)的發(fā)展趨勢(shì)之一。為了實(shí)現(xiàn)高壓平臺(tái)化，離不開(kāi)光伏板，功率器件，無(wú)源器件，結(jié)構(gòu)件等的技術(shù)發(fā)展。我們就功率半導(dǎo)體的發(fā)展，來(lái)看看對(duì)于光伏高壓平臺(tái)的影響。

圖1. 光伏不同電壓平臺(tái)對(duì)應(yīng)的拓?fù)浜推骷?/span>

如圖所示，對(duì)于更高平臺(tái)的電壓，可以減小母線電流大小，從而降低走線的尺寸，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(tǒng)的損耗。使用2000V SiC MOSFET后可以簡(jiǎn)化電路拓?fù)洌档拖到y(tǒng)尺寸和重量。

2 功率器件介紹

圖2. 2000V SiC MOSFET和X3門(mén)極驅(qū)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(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換器的安全性- 第1部分:一般要求》的安規(guī)要求，背部可以實(shí)現(xiàn)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(kuò)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(dǎo)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(qū)動(dòng)器1ED3124MU12H， 該器件DSO-8寬體封裝可以實(shí)現(xiàn)>8mm的爬電距離要求，滿(mǎn)足UL1577-2014光隔離器的UL安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，可以實(shí)現(xiàn)6.8kV耐壓要求，非常適用于IGBT和SiC MOSFET的門(mén)極驅(qū)動(dòng)。

3 安規(guī)絕緣要求

根據(jù)I.S.EN62109-1-2010標(biāo)準(zhǔn)要求，我們?cè)O(shè)定光伏電壓1500V，海拔2000米以下，過(guò)電壓等級(jí)為II，如圖3所示，通過(guò)查表9可以得到基本絕緣的電氣間隙要求是5.5mm。

圖3. 電氣間隙距離要求

同理，設(shè)定工作有效值電壓1500V，污染等級(jí)2，材料等級(jí)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

4 評(píng)估板設(shè)計(jì)

基于以上分析，設(shè)計(jì)了一款適用于光伏MPPT應(yīng)用的評(píng)估板，功能邏輯框圖和3D設(shè)計(jì)圖如圖5所示。

圖5. 評(píng)估板邏輯框圖和3D設(shè)計(jì)圖

該評(píng)估板使用的半橋拓?fù)洌贕UI上可以十分方便靈活的設(shè)置開(kāi)關(guān)使能，PWM頻率，占空比和死區(qū)時(shí)間大小，來(lái)分別單獨(dú)開(kāi)關(guān)上管或者下管，可以實(shí)現(xiàn)如下的幾種不同的功能。

1.下管PWM開(kāi)關(guān)

雙脈沖測(cè)試上管二極管特性測(cè)試Boost拓?fù)涮匦?/p>

2.上管PWM開(kāi)關(guān)

雙脈沖測(cè)試下管二極管特性測(cè)試Buck拓?fù)涮匦?/p>

3.上下管同時(shí)PWM開(kāi)關(guān)

測(cè)試Buck/boost拓?fù)涮匦?/p>

圖6. 評(píng)估板不同應(yīng)用組合拓?fù)潆娐?/p>

因?yàn)镾iC MOSFET的高速開(kāi)關(guān)特性，在PCB設(shè)計(jì)中，需要格外注意SiC MOSFET的門(mén)極驅(qū)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(tǒng)運(yùn)行中盡量低的噪音。

門(mén)極驅(qū)動(dòng)開(kāi)通回路

門(mén)極驅(qū)動(dòng)斷開(kāi)回路

圖7. 門(mén)極驅(qū)動(dòng)開(kāi)通和斷開(kāi)回路

5 測(cè)試波形

為了驗(yàn)證評(píng)估板的特性，做了一下雙脈沖測(cè)試，雙脈沖可以用來(lái)來(lái)驗(yàn)證器件的開(kāi)關(guān)特性，模擬調(diào)試一下開(kāi)關(guān)震蕩（選擇驅(qū)動(dòng)電阻大小，吸收電路，開(kāi)關(guān)環(huán)路等）。測(cè)試條件是平臺(tái)電壓1500V，雙脈沖電流50A。

黃色為VGS，藍(lán)色為VDS，綠色為IDS。

使用鐵硅鋁線圈電感測(cè)試波形

使用外部空心電感后波形

圖8. 使用鐵硅鋁繞線電感和使用空心電感對(duì)比波形

使用了外接的空心電感，電感量值不會(huì)隨著電流大小和溫度而變化。使用了多股線繞制，也降低了趨膚效應(yīng)。同時(shí)也不存在線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(cè)試的結(jié)果比實(shí)際應(yīng)用中的鐵氧體或鐵粉芯電感效果相對(duì)要好。

使用900V/250nFCeralink母線電容后測(cè)試波形

使用1000V/22nF X7R母線電容后測(cè)試波形 

圖9. 使用不同母線電容后對(duì)比波形

Ceralink電容和X7R電容都屬于高頻電容，尺寸相對(duì)小，放在母線上靠近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(duì)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。

下管并聯(lián)1.5Ω/ 110pF后測(cè)試波形

上管并聯(lián)1Ω/ 110pF后測(cè)試波形

圖10. 使用不同RC snubber吸收電路后對(duì)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(cè)試波形沒(méi)有十分明顯的改善，說(shuō)明snubber對(duì)于吸收震蕩尖峰的效果不是很明顯。

6 總結(jié)  

設(shè)計(jì)了一種適用于光伏MPPT的評(píng)估板，介紹了設(shè)計(jì)的背景需求，設(shè)計(jì)的框架，功率器件和門(mén)極驅(qū)動(dòng)器的選擇，安規(guī)規(guī)范的要求，電路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，最后給出了一下測(cè)試和調(diào)試的波形和經(jīng)驗(yàn)，選擇一款性能優(yōu)良的功率管，并在布板設(shè)計(jì)時(shí)候充分考慮減小開(kāi)關(guān)回路，可以極大的節(jié)省調(diào)試研發(fā)時(shí)間，提升整體系統(tǒng)的質(zhì)量。