解讀電源三大熱門領(lǐng)域的技術(shù)方案　

　　中國市場需要多元化技術(shù)

　　隨著中國分布式光伏發(fā)電市場的起步，客戶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，逆變器技術(shù)成熟，各家都有自己的技術(shù)方案，甚至專利電路，以追求更高的效率為目標(biāo)。中國逆變器企業(yè)必須要有創(chuàng)新才能贏得這一市場，他們的技術(shù)一定是多元化，需要定制一些IGBT模塊來幫助客戶和行業(yè)實(shí)現(xiàn)技術(shù)超越。為了加強(qiáng)與客戶的技術(shù)合作，提高對中國客戶的支持水平，我們建立了聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室這樣一個(gè)有效平臺，共同探討器件和系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展趨勢和解決方案，一起在實(shí)驗(yàn)室解決功率器件的應(yīng)用問題。

　　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(jī)，我們開發(fā)了適合三電平應(yīng)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，使客戶有機(jī)會在電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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)會相當(dāng)高，發(fā)展非?？?。

　　光伏客戶期望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(yīng)用層面做好可靠性設(shè)計(jì)，這是需要我們與客戶共同努力實(shí)現(xiàn)的。

　　光伏逆變器的新方向

　　太陽能/光伏的應(yīng)用市場會繼續(xù)穩(wěn)步成長，特別是在中國。在技術(shù)上，逆變器會朝向更高的能效、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(yīng)用和新材料，如碳化硅(SiC)的應(yīng)用、更多的功能、集成化多電平的模塊應(yīng)用等方面，可能是未來逆變器設(shè)計(jì)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(dǎo)體一直致力于新能源領(lǐng)域，同時(shí)非常注重新技術(shù)的開發(fā)與新材料器件的應(yīng)用。在光伏逆變器上，我們推出了我們第三代的超級結(jié)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(dǎo)通電阻RDS(on)與門極電荷Qg，可使系統(tǒng)的能效顯著提高，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，來滿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、快速開關(guān)和緊密的參數(shù)分布等特性。另外，SiC二極管也是安森美半導(dǎo)體在光伏應(yīng)用中的一個(gè)拳頭產(chǎn)品，目前已經(jīng)量產(chǎn)。相比于竟?fàn)帉κ值姆桨?，我們有更高的能效和更小的漏電流?/p>

　　安森美半導(dǎo)體不光在分立器件上有業(yè)界領(lǐng)先的產(chǎn)品，我們也結(jié)合我們在功率模塊上的先進(jìn)技術(shù)，推出了我們的太陽能功率集成模塊 (PIM)。集成化的模塊包括了IGBT及整流器，采用安森美半導(dǎo)體的專有溝槽場截止技術(shù)(FS)及強(qiáng)固的超快快速恢復(fù)二極管，配置為中點(diǎn)鉗位式T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能效可超過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(jī)的第7代IGBT技術(shù)提升

　　隨著儲能相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和出臺，儲能技術(shù)將對電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保證。這將促進(jìn)光伏發(fā)電市場的進(jìn)一步擴(kuò)大和發(fā)展。

　　從大的市場需求來看，由于受到補(bǔ)貼調(diào)整等國家政策的影響，集中式光伏電站的市場占比將在未來呈現(xiàn)下降趨勢，而分布式光伏發(fā)電的市場份額將呈現(xiàn)增長趨勢。

　　為了應(yīng)對補(bǔ)貼下降帶來的影響，市場對光伏組件和光伏逆變器的成本降低的需求將加強(qiáng)。目前來看，1500V等更高電壓的光伏組件將在成本降低方面將會很大程度上彌補(bǔ)支付補(bǔ)貼的下降。因此，隨著市場的期待，諸如1500V等更高電壓的光伏組件將會加快進(jìn)入到市場的步伐。另外，光伏發(fā)電的效率和可靠性等要求也將相應(yīng)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(hù)成本。因此，新技術(shù)在光伏電站和光伏逆變器中的應(yīng)用需求將不斷加強(qiáng)，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(jī)的1500V光伏逆變器應(yīng)用模塊

　　針對光伏發(fā)電市場向更高電壓的發(fā)展，以及對效率的需求，三菱電機(jī)推出了面向1500V光伏逆變器應(yīng)用的模塊，包含新型封裝的1合1模塊和第7代標(biāo)準(zhǔn)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?fù)?，以滿足客戶的多樣化需求。

　　第7代NX封裝的IGBT模塊采用了三菱電機(jī)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(xiàn)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脂灌封的SLC技術(shù)，將大大提升模塊本身及其所應(yīng)用的光伏逆變器的壽命?？傊@是一個(gè)性價(jià)比極高的解決方案。

隔離器

　　工業(yè)領(lǐng)域的磁耦驅(qū)動新技術(shù)

　　近兩年，碳化硅材料(Silicon Carbride, SiC)進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域。SiC半導(dǎo)體具有寬禁帶、高擊穿電場、高飽和漂移速度和高熱導(dǎo)率的優(yōu)異特性，正在推動工業(yè)領(lǐng)域?qū)β试O(shè)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(qū)動技術(shù)，通過將微觀級的無磁芯線圈埋置于芯片封裝內(nèi)，提高了電路集成度，并保證了產(chǎn)品性能的穩(wěn)定。

　　相對于現(xiàn)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(yīng)用。

　　ROHM公司推出了系列磁耦驅(qū)動芯片，從輸入信號到驅(qū)動功率輸出，信號最大延時(shí)誤差約為130ns。該性能基本滿足了客戶開發(fā)200kHz以內(nèi)的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備。相對于現(xiàn)在普遍采用的IGBT在20kHz的工作頻率，開發(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(qū)動，在電路上通過將功率電源與信號分開傳輸，滿足了高頻方案的要求。

　　傳統(tǒng)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(yīng)用場合，由于控制頻率可以從6kHz～200kHz(SICMOSFET可以對應(yīng)MHz的開關(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有很大的變化，造成的結(jié)果是在被動傳輸?shù)臈l件下，輸出驅(qū)動電壓會有很大的波動。這對現(xiàn)階段的SiC MOSFET的非常敏感的Gate驅(qū)動電壓范圍是非常致命的。

　　而磁耦驅(qū)動通過獨(dú)立的信號傳輸及可控制的功率傳輸，避免了功率轉(zhuǎn)換設(shè)備在不同頻率下的效率波動。適用于高頻率的能量轉(zhuǎn)換。

　　同時(shí)，針對于新的SICMOSFET應(yīng)用，ROHM設(shè)計(jì)的磁耦輸出電壓從原來的最大輸出電壓+20V提高到+30V。SiC MOSFET要求Gate驅(qū)動電壓接近20V。而SI工藝的SI或IGBT驅(qū)動電壓僅要求大于12V。

　　TI將增強(qiáng)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(shù)字型隔離器：既可以用來做電源隔離，也可以做信號隔離;最新的第三代是增強(qiáng)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(qiáng)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(tǒng)認(rèn)證，器件的減少也會帶來系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　TI推出的ISOW7841是一款具有集成電源的新型單芯片增強(qiáng)型隔離器，兼具更低輻射和更高轉(zhuǎn)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?shù)男室彩强梢宰龅礁?采用展頻的技術(shù)，把整個(gè)頻譜進(jìn)行擴(kuò)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(yán)苛的信號環(huán)境以及多種隔離接口，諸如RS485、SPI、MOS開關(guān)、USB、I2C、RS232、CAN等。

　　μModule的特點(diǎn)是隔離度高，可達(dá)到7500VRMS的隔離度，ESD防護(hù)能力強(qiáng)，有高達(dá)25kV的ESD堅(jiān)固防護(hù)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。

　　在上海慕尼黑展會上，Linear有展示隔離效果的demo(展示)，首先通過μModule一體化隔離式Anyside開關(guān)控制器LTM9100。在其電路周邊會產(chǎn)生很強(qiáng)的噪聲，例如一直有開關(guān)在切換的動作，表示電壓時(shí)有時(shí)無，會產(chǎn)生很大的噪聲。并在原副邊加了240V的電壓(注：可見電路板上面部分中，一些小燈泡在閃爍小火苗)。此時(shí)，數(shù)據(jù)經(jīng)過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(dá)LCD顯示。可見顯示屏依然順利地實(shí)現(xiàn)了操作。這說明數(shù)據(jù)可以在強(qiáng)噪聲環(huán)境里依然可以可靠地傳輸，誤碼率極低，沒有丟包或誤碼現(xiàn)象。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[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.適用于所有場合的數(shù)字電源系統(tǒng)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(biāo)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

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