如何采用碳化硅設(shè)計(jì)高效可再生能源系統(tǒng)呢？

采用碳化硅設(shè)計(jì)高效可再生能源系統(tǒng) ?

太陽能逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用以及其他可再生能源系統(tǒng)正在促使能源網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化，以提高其韌性，滿足全球能源需求并減少總體碳排放量。這些系統(tǒng)必須在惡劣環(huán)境中盡可能高效，并且體積緊湊、成本不昂貴。

對(duì)于依賴半導(dǎo)體的可再生能源系統(tǒng)而言，碳化硅解決方案可以提高功率密度、降低開關(guān)損耗、提高開關(guān)頻率，因此可以滿足所有要求。采用 Wolfspeed 碳化硅解決方案，能夠?qū)崿F(xiàn)更輕量、更小型、更高效的太陽能逆變器，從而有效助力在環(huán)境溫度不穩(wěn)定、高濕度和其他惡劣條件下吸收太陽光并將其轉(zhuǎn)換為電能。 ?

對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用，Wolfspeed 碳化硅可謂是“黃金標(biāo)準(zhǔn)”技術(shù)，因?yàn)槲覀兊奶蓟?MOSFET 和二極管可提供更高性能和更低損耗，同時(shí)使工程師在創(chuàng)建系統(tǒng)時(shí)能夠使用更少數(shù)量的元件，從而減小系統(tǒng)整體尺寸并降低成本。

由于在 PCB 設(shè)計(jì)階段進(jìn)行的創(chuàng)新和最佳實(shí)踐，碳化硅技術(shù)在工作過程中溫度更低、速度更快，并實(shí)現(xiàn)更小型、更輕量、更高能源效率的功率電子。下面我們將回顧器件級(jí)、子電路級(jí)和系統(tǒng)級(jí) PCB 布局設(shè)計(jì)中的一些挑戰(zhàn)和技巧。

PCB 布局決定碳化硅能夠取得多大成效

基于碳化硅的系統(tǒng)利用卓越的開關(guān)特性和低導(dǎo)通損耗，可以實(shí)現(xiàn)比硅材料更高的開關(guān)頻率。

這些理想的特性帶來了挑戰(zhàn)，因?yàn)樘蓟韫β势骷逃械母唠妷恨D(zhuǎn)換速率（dv/dt）和高電流轉(zhuǎn)換速率（di/dt）使這些電路對(duì)串?dāng)_、誤導(dǎo)通、寄生共振和電磁干擾（EMI）十分敏感。

器件級(jí)

在器件級(jí)，元件之間適當(dāng)?shù)呐离娋嚯x和電氣間隙至關(guān)重要，因?yàn)?MOSFET 管腳/PCB 走線之間的空間有助于消除它們之間的閃絡(luò)或跟蹤。多種安全標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)電壓、應(yīng)用和其他因素規(guī)定了不同的間距要求。

IPC 標(biāo)準(zhǔn)可以作為一項(xiàng)準(zhǔn)則，該標(biāo)準(zhǔn)旨在規(guī)范電子設(shè)備/組件的裝配和生產(chǎn)要求。也可將 IPC-2221 《印刷電路板設(shè)計(jì)通用標(biāo)準(zhǔn)》和 IPC 9592 《功率轉(zhuǎn)換器件性能參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》作為準(zhǔn)則，以估計(jì) PCB 上導(dǎo)體間的最小間距，但這并不是強(qiáng)制性的。 ?

碳化硅 MOSFET 和散熱器之間適當(dāng)?shù)呐离娋嚯x至關(guān)重要。在太陽能應(yīng)用中，散熱器體積很大，并且以機(jī)械方式固定在底座上，因此往往會(huì)采用水平安裝方式，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。由于底座形狀不同，有時(shí)端子必須彎曲成一定的角度。

子電路級(jí) ?

較高的轉(zhuǎn)換速率加上寄生電容和回路電感，使電路對(duì)串?dāng)_、誤導(dǎo)通、電壓過沖、振鈴和各種潛在 EMI 問題更加敏感。 ?

在子電路級(jí)上，碳化硅柵極驅(qū)動(dòng)器用于打開和關(guān)閉功率半導(dǎo)體；根據(jù)不同的元件，在柵極處可能會(huì)出現(xiàn)振蕩和過沖現(xiàn)象?？梢酝ㄟ^較高的阻尼來控制振蕩。阻尼與柵極電阻成正比，并與柵極回路電感成反比（低電感柵極回路可以在不影響轉(zhuǎn)換速率的情況下實(shí)現(xiàn)更高阻尼）。

碳化硅柵極驅(qū)動(dòng)器的 PCB 布局應(yīng)包括一個(gè)緊湊的柵極回路，以抑制柵極電阻并降低振蕩電壓，使柵極驅(qū)動(dòng)器不易受到外部磁場(chǎng)的影響。在 PCB 布局過程中，還必須盡量減少寄生電容，因?yàn)樗鼈兣c高 dv/dt 一起會(huì)導(dǎo)致串?dāng)_、誤導(dǎo)通和開關(guān)損耗增加，而且它們還決定了轉(zhuǎn)換速率，并有助于盡量減少高電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響。

系統(tǒng)級(jí) PCB 布局會(huì)影響散熱。元件精心布置與否亦會(huì)如此，其在優(yōu)化開關(guān)單元方面起著關(guān)鍵作用。 ?

系統(tǒng)級(jí)

必須最大限度防止 EMI 和保護(hù)屏蔽敏感信號(hào)受到高磁場(chǎng)和電場(chǎng)的影響，因此 PCB 布局應(yīng)有利于將輸入和輸出連接器置于電路板的相對(duì)兩側(cè)，以避免噪聲耦合。出于同樣的考慮，輸入 EMI 濾波器和輸入/輸出連接器應(yīng)遠(yuǎn)離高 dv/dt 走線/節(jié)點(diǎn)。敏感信號(hào)（包括柵極回路和控制信號(hào)）應(yīng)遠(yuǎn)離高 dV/dt 走線/節(jié)點(diǎn)和高磁場(chǎng)，如 PFC 扼流圈、DC-DC 功率磁性元件。

元件布置可改善或惡化散熱效果，這取決于用于散熱的銅平面大小和層數(shù)、熱導(dǎo)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(dǎo)體。同時(shí)，通過使用銅平面（最好是多層銅平面），可以從 MOSFET 上散熱。 ?

審核編輯：劉清