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Silicon Carbide

采用碳化硅设计高效可再生能源系统

Apr 14, 2023
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太阳能逆变器和储能系统应用以及其他可再生能源系统正在促使能源网络实现现代化,以提高其韧性,满足全球能源需求并减少总体碳排放量。这些系统必须在恶劣环境中尽可能高效,并且体积紧凑、成本不昂贵。

对于依赖半导体的可再生能源系统而言,碳化硅解决方案可以提高功率密度、降低开关损耗、提高开关频率,因此可以满足所有要求。采用 Wolfspeed 碳化硅解决方案,能够实现更轻量、更小型、更高效的太阳能逆变器,从而有效助力在环境温度不稳定、高湿度和其他恶劣条件下吸收太阳光并将其转换为电能。

对于储能系统应用,Wolfspeed 碳化硅可谓是“黄金标准”技术,因为我们的碳化硅 MOSFET 和二极管可提供更高性能和更低损耗,同时使工程师在创建系统时能够使用更少数量的元件,从而减小系统整体尺寸并降低成本。

由于在 PCB 设计阶段进行的创新和最佳实践,碳化硅技术在工作过程中温度更低、速度更快,并实现更小型、更轻量、更高能源效率的功率电子。下面我们将回顾器件级、子电路级和系统级 PCB 布局设计中的一些挑战和技巧。

PCB 布局决定了碳化硅能够取得多大成效

基于碳化硅的系统利用卓越的开关特性和低导通损耗,可以实现比硅材料更高的开关频率。

这些理想的特性带来了挑战,因为碳化硅功率器件固有的高电压转换速率(dv/dt)和高电流转换速率(di/dt)使这些电路对串扰、误导通、寄生共振和电磁干扰(EMI)十分敏感。

器件级

在器件级,元件之间适当的爬电距离和电气间隙至关重要,因为 MOSFET 管脚/PCB 走线之间的空间有助于消除它们之间的闪络或跟踪。多种安全标准根据电压、应用和其他因素规定了不同的间距要求。

IPC 标准可以作为一项准则,该标准旨在规范电子设备/组件的装配和生产要求。也可将 IPC-2221《印刷电路板设计通用标准》和 IPC 9592《功率转换器件性能参数标准》作为准则,以估计 PCB 上导体间的最小间距,但这并不是强制性的。

碳化硅 MOSFET 和散热器之间适当的爬电距离至关重要。在太阳能应用中,散热器体积很大,并且以机械方式固定在底座上,因此往往会采用水平安装方式,在这种情况下,将隔离垫延伸到略微超过端子弯曲部分处就可以增加爬电距离。由于底座形状不同,有时端子必须弯曲成一定的角度。

子电路级

较高的转换速率加上寄生电容和回路电感,使电路对串扰、误导通、电压过冲、振铃和各种潜在 EMI 问题更加敏感。

在子电路级上,碳化硅栅极驱动器用于打开和关闭功率半导体;根据不同的元件,在栅极处可能会出现振荡和过冲现象。可以通过较高的阻尼来控制振荡。阻尼与栅极电阻成正比,并与栅极回路电感成反比(低电感栅极回路可以在不影响转换速率的情况下实现更高阻尼)。

碳化硅栅极驱动器的 PCB 布局应包括一个紧凑的栅极回路,以抑制栅极电阻并降低振荡电压,使栅极驱动器不易受到外部磁场的影响。在 PCB 布局过程中,还必须尽量减少寄生电容,因为它们与高 dv/dt 一起会导致串扰、误导通和开关损耗增加,而且它们还决定了转换速率,并有助于尽量减少高电场和磁场的影响。

系统级 PCB 布局会影响散热。元件精心布置与否亦会如此,其在优化开关单元方面起着关键作用。

系统级

必须最大限度防止 EMI 和保护屏蔽敏感信号受到高磁场和电场的影响,因此 PCB 布局应有利于将输入和输出连接器置于电路板的相对两侧,以避免噪声耦合。出于同样的考虑,输入 EMI 滤波器和输入/输出连接器应远离高 dv/dt 走线/节点。敏感信号(包括栅极回路和控制信号)应远离高 dV/dt 走线/节点和高磁场,如 PFC 扼流圈、DC-DC 功率磁性元件。

元件布置可改善或恶化散热效果,这取决于用于散热的铜平面大小和层数、热导孔直径、间距和铜箔厚度。确保 MOSFET 不靠近其他热源,包括其他功率半导体。同时,通过使用铜平面(最好是多层铜平面),可以从 MOSFET 上散热。

通过 Wolfspeed 碳化硅,能够实现更小型、更轻量、更具成本效益的设计,更有效地转换能量以支持大量新型清洁能源应用(包括太阳能和储能系统)。有关电力电子系统中的 PCB 设计问题,以及有关 Wolfspeed 碳化硅分立式器件如何提高效率的更多信息,敬请访问 Wolfspeed.com

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