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Silicon Carbide

利用碳化矽設計高效可再生能源系統

Apr 14, 2023
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太陽能逆變器和儲能系統應用以及其他可再生能源系統正在促使能源網路實現現代化,以提高其韌性,滿足全球能源需求並減少總體碳排放量。這些系統必須在惡劣環境中盡可能高效,並且體積小巧、成本不昂貴。

對於依賴半導體的可再生能源系統而言,碳化矽解決方案可以提高功率密度、降低開關損耗、提高開關頻率,因此可以滿足所有要求。採用 Wolfspeed 碳化矽解決方案,能夠實現更輕量、更小型、更高效的太陽能逆變器,從而有效幫助在環境溫度不穩定、高濕度和其他惡劣條件下吸收太陽光,並將其轉換為電能。

對於儲能系統應用,Wolfspeed 碳化矽可謂是“黃金標準”技術,因為我們的碳化矽 MOSFET 和二極體可提供更高性能和更低損耗,同時使工程師在創建系統時能夠使用更少數量的元件,從而減小系統整體尺寸並降低成本。由於在 PCB 設計階段進行的創新和最佳實踐,碳化矽技術在工作過程中溫度更低、速度更快,並實現更小型、更輕量、更高能源效率的功率電子。下面我們將回顧元件級、子電路級和系統級 PCB 佈局設計中的一些挑戰和技巧。

PCB 佈局決定了碳化矽 SiC 能夠取得多大成效

基於碳化矽SiC的系統利用卓越的開關特性和低導通損耗,可以實現比矽材料更高的開關頻率。

這些理想的特性帶來了挑戰,因為碳化矽SiC功率元件固有的高電壓轉換速率 (dv/dt) 和高電流轉換速率 (di/dt) 使這些電路對串擾、誤導通、寄生共振和電磁干擾 (EMI) 十分敏感。

元件級

在元件級,元件之間適當的爬電距離和電氣間隙至關重要,因為 MOSFET 管腳/PCB 走線之間的空間有助於消除它們之間的閃絡或跟蹤。多種安全標準根據電壓、應用和其他因素規定了不同的間距要求。

也可將 IPC 標準作為一項準則,該標準旨在規範電子設備/元件的裝配和生產要求。可將 IPC-2221《印刷電路板設計通用標準》和 IPC 9592《功率轉換元件性能參數標準》作為準則,以估計 PCB 上導體間的最小間距,但這並不是強制性的。

碳化矽 SiC MOSFET 和散熱器之間適當的爬電距離至關重要。

在太陽能應用中,散熱器體積很大,並且以機械方式固定在底座盤上,因此往往會採用水準安裝方式,在這種情況下,將隔離墊延伸到略微超過端子彎曲部分處就可以增加爬電距離。由於底座盤形狀不同,有時端子必須彎曲成一定的角度。

子電路級

較高的轉換速率加上寄生電容和回路電感,使電路對串擾、誤導通、電壓過沖、振鈴和各種潛在 EMI 問題更加敏感。

在子電路級上,碳化矽SiC柵極驅動器用於打開和關閉功率半導體;根據不同的元件,在柵極處可能會出現振盪和過沖現象。可以通過較高的阻尼來控制振盪。阻尼與柵極電阻成正比,並與柵極回路電感成反比(低電感柵極回路可以在不影響轉換速率的情況下實現更高阻尼)。

碳化矽SiC 柵極驅動器的 PCB 佈局應包括一個緊湊的柵極回路,以抑制柵極電阻並降低振盪電壓,使柵極驅動器不易受到外部磁場的影響。在 PCB 佈局過程中,還必須儘量減少寄生電容,因為它們與高 dv/dt 一起會導致串擾、誤導通和開關損耗增加,而且它們還決定了轉換速率,並有助於儘量減少高電場和磁場的影響。

系統級 PCB 佈局會影響散熱。元件精心佈置與否亦會如此,其在優化開關單元方面起著關鍵作用。

系統級

必須最大限度防止 EMI 和保護遮罩敏感信號受到高磁場和電場的影響,因此 PCB 佈局應有利於將輸入和輸出連接器置於電路板的相對兩側,以避免雜訊耦合。出於同樣的考慮,輸入 EMI 濾波器和輸入/輸出連接器應遠離高 dv/dt 走線/節點。

敏感信號(包括柵極回路和控制信號)應遠離高 dV/dt 走線/節點和高磁場,如 PFC 扼流圈、DC-DC 功率磁性元件。元件佈置可改善或惡化散熱效果,這取決於用於散熱的銅平面大小和層數、熱導孔直徑、間距和銅箔厚度。

確保 MOSFET 不靠近其他熱源,包括其他功率半導體。同時,通過使用銅平面(最好是多層銅平面),可以從 MOSFET 上散熱。通過 Wolfspeed 碳化矽,能夠實現更小型、更輕量、更具成本效益的設計,更有效地轉換能量以支持大量新型清潔能源應用(包括太陽能發電和儲能系統)。

有關電力電子系統中的 PCB 設計問題,以及有關 Wolfspeed 碳化矽分立式元件如何提高效率的更多資訊,請瀏覽 Wolfspeed.com

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