飛跨電容器在光伏升壓器中的應用

于光伏逆變器而言、不僅注重眾所周知的高效率、同樣要關(guān)注成本、尺寸和重量等指標、力求持續改進(jìn)。其中多層拓撲是一種能很好地滿(mǎn)足上述所有嚴苛要求的方法。該方法的主要優(yōu)勢之一就是能在多個(gè)電壓水平之間切換、能降低半導體的所承受的電壓應力和扼流圈的紋波應力。這意味著(zhù)能使用價(jià)格通常更便宜的低電壓半導體。降低扼流圈的紋波應力則有助于實(shí)現更小、更輕和更經(jīng)濟的扼流圈設計。

于光伏逆變器而言、不僅注重眾所周知的高效率、同樣要關(guān)注成本、尺寸和重量等指標、力求持續改進(jìn)。其中多層拓撲是一種能很好地滿(mǎn)足上述所有嚴苛要求的方法。該方法的主要優(yōu)勢之一就是能在多個(gè)電壓水平之間切換、能降低半導體的所承受的電壓應力和扼流圈的紋波應力。這意味著(zhù)能使用價(jià)格通常更便宜的低電壓半導體。降低扼流圈的紋波應力則有助于實(shí)現更小、更輕和更經(jīng)濟的扼流圈設計。

飛跨電容器拓撲是一種多電平拓撲、非常適合且不限于光伏逆變器的升壓級應用。顧名思義、這項技術(shù)需要電容器作為關(guān)鍵部件。本文描述并比較了適用的 TDK 解決方案。

簡(jiǎn)介

飛跨電容器多電平轉換器能使用額外的電容器生成額外的（中間）電平（超出直流支撐電容器生成的兩個(gè)電平）、從而能根據相連接的半導體開(kāi)關(guān)結構的開(kāi)關(guān)狀態(tài)浮動(dòng)到不同的電勢、因此它們被稱(chēng)為“飛跨電容器”。

一旦被充電到合適的電壓（比如直流支撐電壓的一半）時(shí)、它們可在下半個(gè)開(kāi)關(guān)周期時(shí)間內充當一種“電壓源”、從而提供額外的電平。

此類(lèi)電容器必須保持恒定電壓并暴露在高紋波電流和開(kāi)關(guān)頻率下、因此仔細選擇適合苛刻應用的元件非常重要。

在下文中，我們將通過(guò)某些設計示例來(lái)介紹、并給出一些元件選型建議。

應用條件

本文中我們假設飛跨電容器的波紋電壓上限ΔUFC = 80 Vpp、開(kāi)關(guān)頻率fSW = 16 kHz、最大峰值電流Ipeak = 60A。

因此、飛跨電容器所需的電容為CFC = 24μF，可通過(guò)公式計算。

(參考：Vincotech的技術(shù)論文《飛跨電容器升壓器的優(yōu)勢和操作》)

環(huán)境溫度應為60°C、假定功率模塊的發(fā)熱不會(huì )明顯影響飛跨電容器。產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)PCB散發(fā)、其他少許熱量也通過(guò)自然對流散發(fā)到靜止的空氣中。

對于此類(lèi)應用、可以考慮不同的電容器技術(shù)。下文中、我們將通過(guò)對比TDK的薄膜電容器和CeraLink?電容器技術(shù)來(lái)深入闡述。

用于PCB的薄膜電容器

TDK的電容器系列涵蓋不同的電壓和電容范圍、能滿(mǎn)足主流客戶(hù)的各種直流支撐應用需求。它們的物理結構各異、具有2到4個(gè)引腳和不同的引線(xiàn)間距選項、并且增強了某些電氣特性、比如較低的自感和較高的共振頻率。其具有一系列優(yōu)異性能、比如：能量密度、波紋電流、高達125°C的環(huán)境溫度和濕度防護等級。上述功能特性加上較長(cháng)的使用壽命（>10萬(wàn)小時(shí)）和穩定的電容值，使得這類(lèi)電容器非常適合高頻開(kāi)關(guān)應用。

有關(guān)電容器選型、建模數據和應用模擬、請登錄我們的官網(wǎng)使用CLARA（電容器壽命和額定值計算應用程序）工具。

CeraLink?電容器

作為緊湊型電容器系列的一員、CeraLink?廣泛用于穩定直流支撐和緩沖器應用中的電壓。它們采用新的獲得專(zhuān)利的反鐵電陶瓷材料技術(shù)、電容值會(huì )隨著(zhù)電壓的升高而增加。CeraLink?旨在為工程師提供緊湊型元件、并專(zhuān)門(mén)針對快速開(kāi)關(guān)轉換器（比如SIC/GaN）而優(yōu)化。這類(lèi)轉換器通常都具有非常緊密的空間需求并且要承受高達150°C的工作溫度。

請注意、CeraLink?的電容行為是非線(xiàn)性的、并且針對直流偏置和升溫環(huán)境應用進(jìn)行了優(yōu)化。如需了解更多信息，請參閱我們的《技術(shù)指南》或使用我們的模擬工具箱。

在高達600 VDC的直流偏置水平和80 Vpp的疊加紋波電壓的條件下、CeraLink? FA10 700V型電容器能在25型電容器通?？稍?5-60°C的溫度范圍內提供4 μF有效電容。

薄膜電容器和CeraLink?電容器的比較

我們在下表中比較了兩個(gè)適用電容器解決方案的幾何形狀和電氣性能。若無(wú)空間限制、薄膜電容器解決方案在成本和元件數量方面更具優(yōu)勢、因為只需一個(gè)或數個(gè)元件就能滿(mǎn)足所需的電氣需求。若對解決方案的總高度有限制或通孔技術(shù)不可用的情況下、可以選擇CeraLink?技術(shù)。此外、如果對電流能力或開(kāi)關(guān)頻率也有更高的要求、則CeraLink?具有更多明顯的優(yōu)勢。

結論

飛跨電容升壓器是光伏逆變器應用的高效率低成本解決方案。 主要優(yōu)點(diǎn)是支持倍頻、降低半導體電壓、降低電壓/電流紋波、抑制開(kāi)關(guān)損耗和減少EMI產(chǎn)生。

TDK具有豐富的電容器技術(shù)，可提供廣泛的產(chǎn)品陣容滿(mǎn)足各種應用的電容和電壓值需求。點(diǎn)擊產(chǎn)品類(lèi)型可查看詳細信息。