解讀電源三大熱門(mén)領(lǐng)域的技術(shù)方案　

　　中國市場(chǎng)需要多元化技術(shù)

　　隨著(zhù)中國分布式光伏發(fā)電市場(chǎng)的起步，客戶(hù)的需求又有了新的特點(diǎn)，歐美和大洋洲是分布式式光伏發(fā)電成熟市場(chǎng)，逆變器技術(shù)成熟，各家都有自己的技術(shù)方案，甚至專(zhuān)利電路，以追求更高的效率為目標。中國逆變器企業(yè)必須要有創(chuàng )新才能贏(yíng)得這一市場(chǎng)，他們的技術(shù)一定是多元化，需要定制一些IGBT模塊來(lái)幫助客戶(hù)和行業(yè)實(shí)現技術(shù)超越。為了加強與客戶(hù)的技術(shù)合作，提高對中國客戶(hù)的支持水平，我們建立了聯(lián)合實(shí)驗室這樣一個(gè)有效平臺，共同探討器件和系統的技術(shù)發(fā)展趨勢和解決方案，一起在實(shí)驗室解決功率器件的應用問(wèn)題。

　　中國發(fā)展分布式發(fā)電所需要的組串型逆變器正好趕上英飛凌IGBT技術(shù)發(fā)展的鍥機，我們開(kāi)發(fā)了適合三電平應用的TRENCHSTOP?5的幾款芯片，有高速H5、S5系列，還有低飽和壓降的L5系列，使客戶(hù)有機會(huì )在電路的拓撲結構和控制技術(shù)方面進(jìn)行創(chuàng )新。相信中國分布式發(fā)電起點(diǎn)會(huì )相當高，發(fā)展非?？?。

　　光伏客戶(hù)期望20年以上的壽命，功率器件也是一瓶頸，需要我們的技術(shù)工藝保證，需要我們質(zhì)量體系的保證，同時(shí)也需要在應用層面做好可靠性設計，這是需要我們與客戶(hù)共同努力實(shí)現的。

　　光伏逆變器的新方向

　　太陽(yáng)能/光伏的應用市場(chǎng)會(huì )繼續穩步成長(cháng)，特別是在中國。在技術(shù)上，逆變器會(huì )朝向更高的能效、允許更寬的電池板輸入電壓、更小的體積、更高的可靠性方向發(fā)展。所以，更高頻化的應用和新材料，如碳化硅(SiC)的應用、更多的功能、集成化多電平的模塊應用等方面，可能是未來(lái)逆變器設計的一些主要方向。

　　安森美提供高能效和更小漏電流解決方案

　　安森美半導體一直致力于新能源領(lǐng)域，同時(shí)非常注重新技術(shù)的開(kāi)發(fā)與新材料器件的應用。在光伏逆變器上，我們推出了我們第三代的超級結MOS管，相比前一代產(chǎn)品，新一代的MOS管利用電荷平衡技術(shù)，大幅減少了導通電阻RDS(on)與門(mén)極電荷Qg，可使系統的能效顯著(zhù)提高，并承受極端dv/dt額定值。如N溝道MOSFET FCH023N65S3_F155和FCH040N65S3_F155，100%經(jīng)過(guò)雪崩擊穿測試，RDS(on)典型值分別為19.5 mΩ、35.4 mΩ，Qg典型值分別為222 nc、136 nc。在IGBT方面，Trench溝道的第四代的場(chǎng)截止(Field-stop) IGBT大幅減小了關(guān)斷損耗，從而可以使IGBT在更高的頻率下工作，來(lái)滿(mǎn)足更高的功率密度的要求。如FGH50T65SQD_F155和FGH75T65SQD_F155，具備高電流能力、高輸入阻抗、快速開(kāi)關(guān)和緊密的參數分布等特性。另外，SiC二極管也是安森美半導體在光伏應用中的一個(gè)拳頭產(chǎn)品，目前已經(jīng)量產(chǎn)。相比于竟爭對手的方案，我們有更高的能效和更小的漏電流。

　　安森美半導體不光在分立器件上有業(yè)界領(lǐng)先的產(chǎn)品，我們也結合我們在功率模塊上的先進(jìn)技術(shù)，推出了我們的太陽(yáng)能功率集成模塊 (PIM)。集成化的模塊包括了IGBT及整流器，采用安森美半導體的專(zhuān)有溝槽場(chǎng)截止技術(shù)(FS)及強固的超快快速恢復二極管，配置為中點(diǎn)鉗位式T型拓撲結構，能效可超過(guò)98%?？膳渲玫姆庋b平臺采用大功率直接鍵合銅(DBC)基板技術(shù)及專(zhuān)有的壓合(press-fit)引腳，可以提供更高的功率密度、更高的性能與更高的可靠性。

　　三菱電機的第7代IGBT技術(shù)提升

　　隨著(zhù)儲能相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以及相關(guān)標準的制定和出臺，儲能技術(shù)將對電網(wǎng)的穩定運行提供保證。這將促進(jìn)光伏發(fā)電市場(chǎng)的進(jìn)一步擴大和發(fā)展。

　　從大的市場(chǎng)需求來(lái)看，由于受到補貼調整等國家政策的影響，集中式光伏電站的市場(chǎng)占比將在未來(lái)呈現下降趨勢，而分布式光伏發(fā)電的市場(chǎng)份額將呈現增長(cháng)趨勢。

　　為了應對補貼下降帶來(lái)的影響，市場(chǎng)對光伏組件和光伏逆變器的成本降低的需求將加強。目前來(lái)看，1500V等更高電壓的光伏組件將在成本降低方面將會(huì )很大程度上彌補支付補貼的下降。因此，隨著(zhù)市場(chǎng)的期待，諸如1500V等更高電壓的光伏組件將會(huì )加快進(jìn)入到市場(chǎng)的步伐。另外，光伏發(fā)電的效率和可靠性等要求也將相應提高，以提高光伏電站的產(chǎn)出，并降低光伏電站和光伏逆變器的維護成本。因此，新技術(shù)在光伏電站和光伏逆變器中的應用需求將不斷加強，并且將促進(jìn)光伏發(fā)電行業(yè)的良性競爭和健康發(fā)展。

　　三菱電機的1500V光伏逆變器應用模塊

　　針對光伏發(fā)電市場(chǎng)向更高電壓的發(fā)展，以及對效率的需求，三菱電機推出了面向1500V光伏逆變器應用的模塊，包含新型封裝的1合1模塊和第7代標準封裝的IGBT模塊。

　　新型封裝的1合1模塊額定電流大，適用于不并聯(lián)或者少并聯(lián)的需求，而且1合1的封裝能夠靈活組成T型三電平或者I型三電平拓撲，以滿(mǎn)足客戶(hù)的多樣化需求。

　　第7代NX封裝的IGBT模塊采用了三菱電機最新一代的CSTBTTM硅片和RFC二極管硅片技術(shù)，同時(shí)兼容業(yè)界主流器件封裝，因此有助于實(shí)現光伏逆變器更高的效率，并提高逆變器的競爭力。另一方面，第7代IGBT模塊所采用的一體化基板和直接樹(shù)脂灌封的SLC技術(shù)，將大大提升模塊本身及其所應用的光伏逆變器的壽命?？傊?，這是一個(gè)性?xún)r(jià)比極高的解決方案。

隔離器

　　工業(yè)領(lǐng)域的磁耦驅動(dòng)新技術(shù)

　　近兩年，碳化硅材料(Silicon Carbride, SiC)進(jìn)入應用領(lǐng)域。SiC半導體具有寬禁帶、高擊穿電場(chǎng)、高飽和漂移速度和高熱導率的優(yōu)異特性，正在推動(dòng)工業(yè)領(lǐng)域對功率設備在功率密度方面的革命。

　　磁耦技術(shù)源自成熟的隔離變壓器驅動(dòng)技術(shù)，通過(guò)將微觀(guān)級的無(wú)磁芯線(xiàn)圈埋置于芯片封裝內，提高了電路集成度，并保證了產(chǎn)品性能的穩定。

　　相對于現有光電耦合和電容耦合，磁耦合產(chǎn)品更適合在大功率密度的產(chǎn)品中應用。

　　ROHM公司推出了系列磁耦驅動(dòng)芯片，從輸入信號到驅動(dòng)功率輸出，信號最大延時(shí)誤差約為130ns。該性能基本滿(mǎn)足了客戶(hù)開(kāi)發(fā)200kHz以?xún)鹊墓β兽D換設備。相對于現在普遍采用的IGBT在20kHz的工作頻率，開(kāi)發(fā)同功率產(chǎn)品的體積和重量可以得到明顯的改善。

　　同時(shí)，針對高頻驅動(dòng)，在電路上通過(guò)將功率電源與信號分開(kāi)傳輸，滿(mǎn)足了高頻方案的要求。

　　傳統的隔離變壓器技術(shù)同時(shí)傳遞控制邏輯信號和功率電源。似乎效率非常高。但是在SiC應用場(chǎng)合，由于控制頻率可以從6kHz～200kHz(SICMOSFET可以對應MHz的開(kāi)關(guān)頻率)，在如此寬的頻率變化范圍，變壓器對功率傳遞的效率會(huì )有很大的變化，造成的結果是在被動(dòng)傳輸的條件下，輸出驅動(dòng)電壓會(huì )有很大的波動(dòng)。這對現階段的SiC MOSFET的非常敏感的Gate驅動(dòng)電壓范圍是非常致命的。

　　而磁耦驅動(dòng)通過(guò)獨立的信號傳輸及可控制的功率傳輸，避免了功率轉換設備在不同頻率下的效率波動(dòng)。適用于高頻率的能量轉換。

　　同時(shí)，針對于新的SICMOSFET應用，ROHM設計的磁耦輸出電壓從原來(lái)的最大輸出電壓+20V提高到+30V。SiC MOSFET要求Gate驅動(dòng)電壓接近20V。而SI工藝的SI或IGBT驅動(dòng)電壓僅要求大于12V。

　　TI將增強型隔離器效率提升80%

　　隔離器經(jīng)歷了三代發(fā)展。第一代通常是光耦隔離，用變壓器進(jìn)行AC-AC隔離;第二代是數字型隔離器：既可以用來(lái)做電源隔離，也可以做信號隔離;最新的第三代是增強型隔離器，它相對于前一代產(chǎn)品做了一個(gè)基本絕緣，例如，基本絕緣的隔離電壓等級是3000V，增強型要做到6000V以上，甚至10000V浪涌的電壓。

　　從信號隔離到電源隔離是一個(gè)集成的解決方案。這樣可以減少BOM(物料清單)和PCB(印制板)的尺寸;同時(shí)，集成在一個(gè)器件中，更容易進(jìn)行系統認證，器件的減少也會(huì )帶來(lái)系統的穩定性。

　　TI推出的ISOW7841是一款具有集成電源的新型單芯片增強型隔離器，兼具更低輻射和更高轉換效率。該隔離器采用電容隔離技術(shù)，可以更好地做到更高的絕緣隔離電壓，傳輸的效率也是可以做到更高;采用展頻的技術(shù)，把整個(gè)頻譜進(jìn)行擴展，將其變成一個(gè)平臺型，整體往下平移，從而可以做到10DB的優(yōu)勢，提供更低的EMI(電磁干擾)對外輻射能力。

　　Linear的μModule隔離器

　　Linear的μModule隔離器適合各種嚴苛的信號環(huán)境以及多種隔離接口，諸如RS485、SPI、MOS開(kāi)關(guān)、USB、I2C、RS232、CAN等。

　　μModule的特點(diǎn)是隔離度高，可達到7500VRMS的隔離度，ESD防護能力強，有高達25kV的ESD堅固防護接口引腳，可承受大于30kV/μs的高共模瞬變，且有低EMI——低于CISPR 22 Class B的限值。

　　在上海慕尼黑展會(huì )上，Linear有展示隔離效果的demo(展示)，首先通過(guò)μModule一體化隔離式Anyside開(kāi)關(guān)控制器LTM9100。在其電路周邊會(huì )產(chǎn)生很強的噪聲，例如一直有開(kāi)關(guān)在切換的動(dòng)作，表示電壓時(shí)有時(shí)無(wú)，會(huì )產(chǎn)生很大的噪聲。并在原副邊加了240V的電壓(注：可見(jiàn)電路板上面部分中，一些小燈泡在閃爍小火苗)。此時(shí)，數據經(jīng)過(guò)LTM2889(CAN隔離器)、LTM2881(RS485隔離器)、LTM2887(RS232隔離器)、LTM2887(I2C隔離器)等，最終進(jìn)達LCD顯示?？梢?jiàn)顯示屏依然順利地實(shí)現了操作。這說(shuō)明數據可以在強噪聲環(huán)境里依然可以可靠地傳輸，誤碼率極低，沒(méi)有丟包或誤碼現象。

　　參考文獻：

　　[1]王瑩,葉雷.面向智能化和物聯(lián)網(wǎng)的電源解決方案[J].電子產(chǎn)品世界，2015(4):9-15.

　　[2]Tony Armstrong.適用于所有場(chǎng)合的數字電源系統管理[J].電子產(chǎn)品世界，2015(6):60-62.

　　[3]王瑩,王金旺,Tony Armstong,等.電源的六大酷領(lǐng)域及動(dòng)向[J].電子產(chǎn)品世界，2016(4):6-12.

　　[4]Mark de Clercq.傳感器、集成和電源管理的進(jìn)步推動(dòng)可穿戴技術(shù)的發(fā)展[J].電子產(chǎn)品世界，2016(4):21-23.

　　[5]管玉華.新國標下的交流充電樁電源及信號接口解決方案[J].電子產(chǎn)品世界，2015(7):74-75

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第4期第12頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。