揭開(kāi)光伏輔助電源的神秘面紗

隨著“3060”碳中和目標(biāo)的提出，一時(shí)間光伏發(fā)電行業(yè)引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。光伏逆變器是光伏發(fā)電中至關(guān)重要的設(shè)備，承擔(dān)著電池板功率控制（MPPT）以及直流交流轉(zhuǎn)換（DC/AC）的重任。每一臺(tái)光伏逆變器，都有一套或者兩套輔助電源默默的“點(diǎn)亮”控制和驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)于幾十kW以下的戶(hù)用單相機(jī)或者小三相機(jī)，一般一套幾十瓦的輔助電源就可以滿(mǎn)足要求。而對(duì)于最近比較火爆的用于1500V地面電站的200kW plus的組串式逆變器，則需要兩套150W~200W的輔助電源，一套位于直流側(cè)承擔(dān)著主要的供電任務(wù)，一套位于交流測(cè)擔(dān)負(fù)著PID修復(fù)以及后備供電任務(wù)。輔助電源在光伏逆變器中默默的工作，低調(diào)的存在，但是卻不可或缺。下面我們就一起來(lái)揭開(kāi)光伏輔助電源的神秘面紗。

一、輔助電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

一般來(lái)說(shuō)1100Vdc的組串式逆變器的輔助電源會(huì)采用單端反激的拓?fù)?，如圖1所示：

圖1.應(yīng)用于1100Vdc光伏逆變器的輔助電源拓?fù)?/p>

對(duì)于1500Vdc的組串式逆變器，由于現(xiàn)有功率器件電壓等級(jí)的限制，光伏的輔助電源比較多采用的拓?fù)涫请p端反激拓?fù)洹Ｈ鐖D2所示：

圖2.應(yīng)用于1500Vdc光伏逆變器的輔助電源拓?fù)?/p>

無(wú)論那種拓?fù)涠茧x不開(kāi)核心的功率器件，即1700V MOSFET。眾所周知，組串式逆變器的輔助電源對(duì)體積、效率、成本都有著很高的要求。因此功率器件的選型就成了關(guān)鍵。

二、英飛凌1700V SiC MOSFET在光伏輔助電源中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

如圖3所示，三種不同MOSFET的輔助電源效率與輸入電壓的關(guān)系曲線(xiàn)?？梢钥吹?，SiC MOSFET的效率會(huì)比Si MOSFET高2.5%以上。更高的效率同時(shí)也意味著更少的散熱上的投入，更小的體積。另外，SiC器件可以工作到更高的開(kāi)關(guān)頻率，更高的開(kāi)關(guān)頻率可以進(jìn)一步降低無(wú)源器件的尺寸。鑒于目前光伏輔助電源的開(kāi)關(guān)頻率都在60kHz以上，采用1700V的SiC MOSFET就成了不二的選擇。

圖3.1700V SiC MOS與Si MOS的效率對(duì)比

英飛凌推出的1700V 450mΩ/650mΩ/1000mΩ的CoolSiC MOSFET系列可以滿(mǎn)足客戶(hù)不同功率段的應(yīng)用要求（詳細(xì)產(chǎn)品信息可點(diǎn)擊：新品 | 采用D2PAK-7L封裝的1700V CoolSiC MOSFET，輔助電源的理想搭檔）。該產(chǎn)品采用經(jīng)典的D2PAK-7L封裝，實(shí)物如圖4所示。

作為一款輔助電源應(yīng)用的主推產(chǎn)品，其主要的優(yōu)勢(shì)如下：

1.更高的電氣間隙和爬電距離

D2PAK-7L封裝電氣間隙和爬電距離為7.1mm，如圖5所示。根據(jù)IEC60664-4標(biāo)準(zhǔn)，如圖6所示7.1mm的電氣間隙可以滿(mǎn)足>1800V的峰值電壓的要求。而傳統(tǒng)的TO247封裝只能滿(mǎn)足~1400V峰值電壓的要求。

圖6.IEC60664-4的電氣間隙要求

2.可以直接通過(guò)控制器來(lái)驅(qū)動(dòng)，省掉了驅(qū)動(dòng)電路

圖7所示，IMBF170R1K0M1的推薦門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)正電壓為12~15V，負(fù)電壓為0V。更重要的是該產(chǎn)品的門(mén)級(jí)電荷非常小，Qg僅為5nF，對(duì)控制芯片的帶載能力的要求很低。另外，12~15V的電壓也在控制芯片I/O口的輸出范圍之內(nèi)，因此可以采用控制芯片的I/O口直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。現(xiàn)在市場(chǎng)上主流的控制芯片的都可以滿(mǎn)足該要求。

圖7.IMBF170R1K0M1的推薦門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓

3.貼片封裝，緊湊設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)安裝效率

經(jīng)典的D2PAK-7L貼片封裝，支持回流焊。普通的TO247封裝，作為一種直插的封裝，還需要多一次波峰焊。另外，TO247封裝需要涂抹導(dǎo)熱硅脂，需要絕緣墊片以及散熱器。相對(duì)于PCB散熱，其安裝方式較為復(fù)雜，成本也較高。最后，由于貼片封裝尺寸較小，節(jié)約了寶貴的PCB的空間。尤其適用于一些對(duì)電路板的高度有嚴(yán)格要求的場(chǎng)景。

三、應(yīng)用建議，散熱的處理

說(shuō)到這里，很多小伙伴內(nèi)心深處不禁想問(wèn)：如此緊湊的封裝，芯片的散熱是不是很難處理？其實(shí)不然，首先貼片封裝直接通過(guò)焊接的方式焊在PCB銅箔上,其結(jié)到殼(Junction-Case)的熱阻是與TO247類(lèi)似的。而且相對(duì)于導(dǎo)熱硅脂，焊接的導(dǎo)熱效果更好。貼片封裝的問(wèn)題主要在如何將PCB銅箔上的熱量有效的擴(kuò)散出去。目前基于貼片封裝的輔助散熱技術(shù)已經(jīng)非常成熟了。對(duì)于功率不大的小功率輔助電源，我們可以直接采用銅箔打過(guò)孔，并且表面敷鋁的方式進(jìn)行散熱，見(jiàn)圖8(a)。對(duì)于功率較大的應(yīng)用場(chǎng)合，我們可以采用散熱器輔助散熱的方式，見(jiàn)圖8(b)?？傊?，一個(gè)好的貼片封裝的散熱設(shè)計(jì)，其效果不輸于傳統(tǒng)的TO247封裝。

退一步來(lái)說(shuō)，如果損耗實(shí)在太大不好處理，我們還有1700V 450mΩ/650mΩ的產(chǎn)品可以選擇。在封裝上它們與1000mΩ的MOSFET完全兼容，并且具有更低的損耗和更低的熱阻。

最后說(shuō)一下：基于該產(chǎn)品，英飛凌還有一個(gè)開(kāi)發(fā)套件可供設(shè)計(jì)參考?？梢渣c(diǎn)擊文末“閱讀原文”，即可打開(kāi)鏈接下載開(kāi)發(fā)套件的技術(shù)資料。

原文標(biāo)題：英飛凌1700V CoolSiC? MOSFET在光伏輔助電源上的應(yīng)用

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