飛跨電容器在光伏升壓器中的應(yīng)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(biāo)、力求持續(xù)改進(jìn)。其中多層拓?fù)涫且环N能很好地滿足上述所有嚴(yán)苛要求的方法。該方法的主要優(yōu)勢(shì)之一就是能在多個(gè)電壓水平之間切換、能降低半導(dǎo)體的所承受的電壓應(yīng)力和扼流圈的紋波應(yīng)力。這意味著能使用價(jià)格通常更便宜的低電壓半導(dǎo)體。降低扼流圈的紋波應(yīng)力則有助于實(shí)現(xiàn)更小、更輕和更經(jīng)濟(jì)的扼流圈設(shè)計(jì)。

飛跨電容器拓?fù)涫且环N多電平拓?fù)?、非常適合且不限于光伏逆變器的升壓級(jí)應(yīng)用。顧名思義、這項(xiàng)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(zhuǎn)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(jù)相連接的半導(dǎo)體開關(guān)結(jié)構(gòu)的開關(guān)狀態(tài)浮動(dòng)到不同的電勢(shì)、因此它們被稱為“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)開關(guān)周期時(shí)間內(nèi)充當(dāng)一種“電壓源”、從而提供額外的電平。

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

在下文中，我們將通過某些設(shè)計(jì)示例來介紹、并給出一些元件選型建議。

應(yīng)用條件

本文中我們假設(shè)飛跨電容器的波紋電壓上限ΔUFC = 80 Vpp、開關(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，可通過公式計(jì)算。

環(huán)境溫度應(yīng)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PCB散發(fā)、其他少許熱量也通過自然對(duì)流散發(fā)到靜止的空氣中。

對(duì)于此類應(yīng)用、可以考慮不同的電容器技術(shù)。下文中、我們將通過對(duì)比TDK的薄膜電容器和CeraLink?電容器技術(shù)來深入闡述。

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、能滿足主流客戶的各種直流支撐應(yīng)用需求。它們的物理結(jié)構(gòu)各異、具有2到4個(gè)引腳和不同的引線間距選項(xiàng)、并且增強(qiáng)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(dá)125°C的環(huán)境溫度和濕度防護(hù)等級(jí)。上述功能特性加上較長(zhǎng)的使用壽命(>10萬小時(shí))和穩(wěn)定的電容值，使得這類電容器非常適合高頻開關(guān)應(yīng)用。

有關(guān)電容器選型、建模數(shù)據(jù)和應(yīng)用模擬、請(qǐng)登錄我們的官網(wǎng)使用CLARA(電容器壽命和額定值計(jì)算應(yīng)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(wěn)定直流支撐和緩沖器應(yīng)用中的電壓。它們采用獨(dú)特的反鐵電陶瓷材料技術(shù)、電容值會(huì)隨著電壓的升高而增加。CeraLink?旨在為工程師提供緊湊型元件、并專門針對(duì)快速開關(guān)轉(zhuǎn)換器(比如SIC/GaN)而優(yōu)化。這類轉(zhuǎn)換器通常都具有非常緊密的空間需求并且要承受高達(dá)150°C的工作溫度。

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

在高達(dá)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(nèi)提供4 μF有效電容。

薄膜電容器和CeraLink?電容器的比較

我們?cè)谙卤碇斜容^了兩個(gè)適用電容器解決方案的幾何形狀和電氣性能。若無空間限制、薄膜電容器解決方案在成本和元件數(shù)量方面更具優(yōu)勢(shì)、因?yàn)橹恍枰粋€(gè)或數(shù)個(gè)元件就能滿足所需的電氣需求。若對(duì)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(duì)電流能力或開關(guān)頻率也有更高的要求、則CeraLink?具有更多明顯的優(yōu)勢(shì)。

表1：在fSW = 16 kHz的開關(guān)頻率下，F(xiàn)C的所需電容為Cfc = 24 μF

優(yōu)勢(shì)

在16kHz和65°C的環(huán)境溫度下，設(shè)備溫度為150°C，無強(qiáng)制冷卻。

符合預(yù)期的配置：在65°C環(huán)境溫度下連續(xù)使用> 88000個(gè)小時(shí)。

表2：在FSW = 32 kHz的開關(guān)頻率下，F(xiàn)C的所需電容為CFC = 12 μF

優(yōu)勢(shì)

在32kHz和65°C的環(huán)境溫度下，設(shè)備溫度為150°C，無強(qiáng)制冷卻。

符合預(yù)期的配置：在65°C環(huán)境溫度下連續(xù)應(yīng)用> 200000個(gè)小時(shí)。

結(jié)論

飛跨電容升壓器是光伏逆變器應(yīng)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(dǎo)體電壓、降低電壓/電流紋波、抑制開關(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)品陣容滿足各種應(yīng)用的電容和電壓值需求。點(diǎn)擊產(chǎn)品類型可查看詳細(xì)信息。

審核編輯：湯梓紅