【導(dǎo)讀】制造商和消費者都在試圖擺脫對化石燃料能源的依賴，電氣化方案也因此廣受青睞。這對于保護(hù)環(huán)境、限制污染以及減緩破壞性的全球變暖趨勢具有重要意義。電動汽車(EV)在全球日益普及，眾多企業(yè)紛紛入場，試圖將商用和農(nóng)業(yè)車輛(CAV)改造成由電力驅(qū)動。
制造商和消費者都在試圖擺脫對化石燃料能源的依賴，電氣化方案也因此廣受青睞。這對于保護(hù)環(huán)境、限制污染以及減緩破壞性的全球變暖趨勢具有重要意義。電動汽車(EV)在全球日益普及，眾多企業(yè)紛紛入場，試圖將商用和農(nóng)業(yè)車輛(CAV)改造成由電力驅(qū)動。
然而，這種轉(zhuǎn)變使得電能需求快速增長，給電網(wǎng)帶來了極大的壓力。盡管能效很高，但電動汽車、數(shù)據(jù)中心、熱泵等應(yīng)用仍需要大量能源才能運行。
太陽能、風(fēng)能、波浪能等新型可再生能源受到廣泛歡迎，正逐漸成為主流。只有完全使用可再生能源的應(yīng)用，才能被視為真正的“清潔”應(yīng)用。
太陽能市場已經(jīng)發(fā)展多年，相對成熟。Fortune Business Insights 的報告顯示，目前太陽能市場規(guī)模估計為2730億美元，到2032年有望增長到4360億美元。2023年，北美太陽能市場占比超過了40%。
可再生能源應(yīng)用中的電源轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)
太陽能發(fā)電量正在迅速增長。國際能源署(IEA)的數(shù)據(jù)表明，2022年，太陽能產(chǎn)生的電力比上一年度增長26%，達(dá)到1300 TWh。這標(biāo)志著太陽能發(fā)電已超越風(fēng)電，成為最大的可再生電力來源。
太陽能光伏(PV)板產(chǎn)生直流電(DC)，而電網(wǎng)需要交流電(AC)，因此中央光伏逆變器是大型并網(wǎng)裝置不可或缺的一部分。光伏板產(chǎn)生的所有能量都會經(jīng)過逆變器，因此逆變器效率具有重要影響。盡管太陽能取之不盡，用之不竭，但轉(zhuǎn)換效率低下會導(dǎo)致輸送到電網(wǎng)的能量十分有限。過程中所浪費的能量會轉(zhuǎn)化為熱量，進(jìn)而又會構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因為許多太陽能裝置通常位于陽光充沛、溫度較高的環(huán)境，如沙漠。
成本也是非常重要的考慮因素，可直接影響消費者的電費以及電力公司的盈利。為實現(xiàn)更高功率，許多中央逆變器并聯(lián)使用多個轉(zhuǎn)換模塊，具體數(shù)量由每個模塊的額定功率決定。每個模塊功率容量越高，所需模塊就越少，進(jìn)而可以降低成本。
盡管電動汽車已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，但CAV在向電力驅(qū)動轉(zhuǎn)變方面仍進(jìn)展緩慢。CAV體型較大，每次行駛消耗的燃料和產(chǎn)生的排放也更多，雖然數(shù)量上僅占汽車總量的2%，但其溫室氣體排放量占交通運輸排放總量的28%。雖然商用客運車（如公共汽車）的電動化已經(jīng)初見成效，但大多數(shù)大型卡車、建筑機(jī)械和農(nóng)業(yè)車輛（如拖拉機(jī)）仍然依賴柴油驅(qū)動。現(xiàn)在，情況開始發(fā)生變化。為達(dá)到歐盟、中國和美國加州等全球市場嚴(yán)格的零排放法規(guī)要求，預(yù)計到2030年，電動卡車（純電和混合動力）銷量占比將從目前的5%增加到40%-50%。
相較于化石燃料商用車，電動商用車結(jié)構(gòu)更簡單，運動部件更少。在載重能力相同的情況下，電動車體積更小、可靠性更高、維護(hù)相關(guān)成本更低。目前電池成本大幅降低，電動CAV的總擁有成本已經(jīng)低于內(nèi)燃機(jī)(ICE)車輛。
與太陽能應(yīng)用類似，效率也是電動CAV的關(guān)鍵要求。每輛車的電池電量有限，逆變器中轉(zhuǎn)換過程的效率越高，車輛行駛距離就越長?；蛐旭偼瑯拥木嚯x所需的電量就更少。
鑒于未來我們對太陽能和電動CAV的依賴，可靠性自然也就變得非常重要。
面向逆變器應(yīng)用的先進(jìn)電源技術(shù)
在三相太陽能光伏逆變器等的高功率應(yīng)用中，三電平有源中性點箝位(ANPC)轉(zhuǎn)換器是比較常見的拓?fù)?。這種多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)專門用于提升系統(tǒng)的性能和效率。
普通中性點箝位(NPC)轉(zhuǎn)換器使用二極管將直流鏈路電容的中性點連接到輸出端。在ANPC配置（圖1）中，箝位由開關(guān)執(zhí)行，因此能夠改善控制、減少開關(guān)損耗并提高效率，并且能相應(yīng)地減少對散熱措施的需求，從而有助于實現(xiàn)尺寸更小、成本更低的方案。
拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的布置方式降低了各個開關(guān)上的電壓應(yīng)力，從而提高了可靠性。此外，ANPC還能實現(xiàn)對電網(wǎng)有利的波形。
設(shè)計工程師可以通過并聯(lián)多個功率模塊，例如安森美的QDual 3 IGBT 模塊，創(chuàng)建高性能三電平有源中性點箝位模塊，其系統(tǒng)輸出功率可達(dá)1.6 MW 至1.8 MW。
QDual 3 模塊集成了新一代1200 V 場截止7 (FS7) IGBT 和二極管技術(shù)，可為大功率應(yīng)用提供更優(yōu)異的性能。與前幾代產(chǎn)品相比，F(xiàn)S7技術(shù)顯著改善了導(dǎo)通損耗。
在FS7 IGBT 工藝中，溝槽窄臺面帶來了低VCE(SAT)和高功率密度，而質(zhì)子注入多重緩沖確保了穩(wěn)健性和軟開關(guān)特性（圖2）。安森美中速FS7器件的VCE(SAT)低至1.65V，適用于運動控制應(yīng)用；而其FS7快速產(chǎn)品的EOFF僅57 μJ/A，是太陽能逆變器和CAV等高功率應(yīng)用的理想選擇。
創(chuàng)新型FS7技術(shù)使新型QDual3模塊中的芯片尺寸比上一代縮小了30%（圖3）。這種小型化與先進(jìn)的封裝相結(jié)合，可以顯著提高最大額定電流。在工作溫度高達(dá)150攝氏度的電機(jī)控制應(yīng)用中，QDual3的輸出功率為100 kW 至340 kW，比目前市場上的其他產(chǎn)品高出大約12%。
可靠性是太陽能和CAV應(yīng)用的關(guān)鍵，因此模塊的構(gòu)造和測試方式至關(guān)重要。例如，目前有許多類似方案使用引線鍵合方式來固定端子，而安森美則選擇采用超聲波來焊接模塊。后者有助于增強(qiáng)電流承載能力，提供更優(yōu)散熱路徑，并且比前者更為堅固（圖4）。
這種方法可以提高電導(dǎo)率，從而減少電力損失、提升效率。此外還能降低工作溫度、增強(qiáng)機(jī)械剛度，以及提高模塊的整體可靠性。
安森美的新型高功率QDual3技術(shù)
專用QDual 3 半橋IGBT模塊NXH800H120L7QDSG適用于中央太陽能逆變器、儲能系統(tǒng)(ESS)、不間斷電源(UPS)；而SNXH800H120L7QDSG則適用于CAV。這兩款器件均基于FS7技術(shù)打造，VCE(SAT)和EOFF有所改進(jìn)，進(jìn)而降低了損耗、提高了能效。
目前，若使用600 A IGBT 模塊以ANPC/INPC架構(gòu)來設(shè)計1.725 MW 逆變器，總共將需要36個模塊。然而，若使用額定工作電流為800 A 的新型NXH800H120L7QDSG和SNXH800H120L7QDSG，設(shè)計所需模塊數(shù)量將減少9個。相應(yīng)地，設(shè)計的尺寸、重量和成本將節(jié)省25%。這對于太陽能應(yīng)用和CAV應(yīng)用來說都非常有價值，因為重量減輕和效率提高，將使得車輛行駛里程有所增加。
圖6：更大的電流能力支持使用更少的模塊來構(gòu)建系統(tǒng)
這些模塊包含用于熱管理的隔離底板和集成的NTC熱敏電阻，并支持通過可焊接引腳將模塊直接安裝到PCB上，采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)布局，有助于輕松將現(xiàn)有設(shè)計升級到新型QDual3技術(shù)。
安森美的所有QDual3模塊均經(jīng)過嚴(yán)格的可靠性測試，其可靠性水平超過市場上的其他同類器件。我們的濕度測試要求產(chǎn)品承受960V偏壓長達(dá)2000小時，而同類器件僅需承受80V偏壓1000小時。振動測試對于CAV應(yīng)用至為關(guān)鍵，我們的產(chǎn)品在30 G 峰值/10G RMS 條件下進(jìn)行了長達(dá)22小時的測試，可滿足AQG324要求。其他器件則是在振動水平低至5 G 的條件下進(jìn)行測試，持續(xù)時間短至1小時。
總結(jié)
全世界的可再生能源使用率越來越高，電網(wǎng)正承受著巨大壓力。太陽能發(fā)電已經(jīng)發(fā)展成熟，2022年更是超過風(fēng)電，成為可再生電力的主要來源。
盡管化石燃料驅(qū)動的車輛仍是主要的污染源，但CAV的電氣化正在穩(wěn)步推進(jìn)，目前已初見成效。
安森美FS7等新型半導(dǎo)體技術(shù)支持開發(fā)低損耗、大功率器件，以滿足這些領(lǐng)域的效率和可靠性需求。基于這項技術(shù)，安森美的新型QDual3器件采用緊湊封裝，可實現(xiàn)高功率密度和出色能效。焊接良好的端子和超越業(yè)內(nèi)其他器件的認(rèn)證測試助力保障QDual3器件的穩(wěn)健性能。
新一代NXH800H120L7QDSG和SNXH800H120L7QDSG模塊電流能力高達(dá)800 A，得益于此，逆變器設(shè)計所需的模塊可減少25%，并能夠進(jìn)一步簡化設(shè)計、減小其體積、質(zhì)量并降低成本。
這無疑是一項重大進(jìn)展，安森美將繼續(xù)潛心鉆研FS7技術(shù)的高性能潛力，力求推出更多超越現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的模塊，從而滿足太陽能行業(yè)和CAV制造商不斷增長的需求。
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