一款適用于光伏應(yīng)用的半橋評估板設(shè)計

光伏，作為重點發(fā)展的新質(zhì)生產(chǎn)力，其市場規(guī)模仍在迅速發(fā)展擴大中，其技術(shù)迭代也在不斷演進升級。英飛凌作為半導(dǎo)體技術(shù)和市場應(yīng)用的領(lǐng)軍企業(yè)，發(fā)布了一系列具有差異化附加價值的創(chuàng)新半導(dǎo)體，并同時推出了一款適用于光伏應(yīng)用的半橋拓撲評估板，為工程師分享了系統(tǒng)設(shè)計的參考方案，并提供了器件性能的評估平臺。

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光伏應(yīng)用的發(fā)展趨勢

光伏電壓平臺的高壓化，可以降低系統(tǒng)成本，提高能量轉(zhuǎn)換效率，簡化研發(fā)設(shè)計方案，是光伏應(yīng)用公認的發(fā)展趨勢之一。為了實現(xiàn)高壓平臺化，離不開光伏板，功率器件，無源器件，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，來看看對于光伏高壓平臺的影響。

圖1. 光伏不同電壓平臺對應(yīng)的拓撲和器件

如圖所示，對于更高平臺的電壓，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，電感，二極管和開關(guān)管等器件上流過的電流也會減小，從而降低的器件的成本和系統(tǒng)的損耗。使用2000V SiC MOSFET后可以簡化電路拓撲，降低系統(tǒng)尺寸和重量。

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功率器件介紹

圖2. 2000V SiC MOSFET和X3門極驅(qū)動器及其絕緣距離

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，背部可以實現(xiàn)三次260°C回流焊，門極開爾文引腳可以降低回路中的寄生電感，從而降低開關(guān)中的震蕩尖峰，另外，使用了.XT擴散焊接技術(shù)后，也大大降低了器件的熱阻，整個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單通道磁隔離門極驅(qū)動器1ED3124MU12H， 該器件DSO-8寬體封裝可以實現(xiàn)>8mm的爬電距離要求，滿足UL1577-2014光隔離器的UL安全標準認證，可以實現(xiàn)6.8kV耐壓要求，非常適用于IGBT和SiC MOSFET的門極驅(qū)動。

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安規(guī)絕緣要求

根據(jù)I.S.EN62109-1-2010標準要求，我們設(shè)定光伏電壓1500V，海拔2000米以下，過電壓等級為II，如圖3所示，通過查表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2，材料等級II的情況下，通過查表10通過插值法可得爬電距離要求為10.43mm。

圖4. 爬電距離要求

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評估板設(shè)計

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

圖5. 評估板邏輯框圖和3D設(shè)計圖

該評估板使用的半橋拓撲，在GUI上可以十分方便靈活的設(shè)置開關(guān)使能，PWM頻率，占空比和死區(qū)時間大小，來分別單獨開關(guān)上管或者下管，可以實現(xiàn)如下的幾種不同的功能。

1.下管PWM開關(guān)

雙脈沖測試上管二極管特性

測試Boost拓撲特性

2.上管PWM開關(guān)

雙脈沖測試下管二極管特性

測試Buck拓撲特性

3.上下管同時PWM開關(guān)

測試Buck/boost拓撲特性

因為SiC MOSFET的高速開關(guān)特性，在PCB設(shè)計中，需要格外注意SiC MOSFET的門極驅(qū)動回路和功率回路，盡量減小開關(guān)回路中寄生的電感，電容和電阻，來保證系統(tǒng)運行中盡量低的噪音。

門極驅(qū)動開通回路

門極驅(qū)動斷開回路

圖7. 門極驅(qū)動開通和斷開回路

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測試波形

為了驗證評估板的特性，做了一下雙脈沖測試，雙脈沖可以用來來驗證器件的開關(guān)特性，模擬調(diào)試一下開關(guān)震蕩（選擇驅(qū)動電阻大小，吸收電路，開關(guān)環(huán)路等）。測試條件是平臺電壓1500V，雙脈沖電流50A。

黃色為VGS，藍色為VDS，綠色為IDS。

使用鐵硅鋁線圈電感測試波形

使用外部空心電感后波形

使用了外接的空心電感，電感量值不會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)。同時也不存在線圈與磁芯之間的寄生電容，從而不會有一些異常的電流尖峰，所以雙脈沖測試的結(jié)果比實際應(yīng)用中的鐵氧體或鐵粉芯電感效果相對要好。

使用900V/250nFCeralink母線電容后測試波形

使用1000V/22nF X7R母線電容后測試波形

Ceralink電容和X7R電容都屬于高頻電容，尺寸相對小，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，通過如圖9所示的對比，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后測試波形

上管并聯(lián)1Ω/ 110pF后測試波形

圖10. 使用不同RC snubber吸收電路后對比波形

如圖10所示，通過在上管和下管DS端上分別并聯(lián)不同的RC snubber(X7R電容)吸收電路后，雙脈沖測試波形沒有十分明顯的改善，說明snubber對于吸收震蕩尖峰的效果不是很明顯。

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總結(jié)

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