华体会-IGBT 模块在颇具挑战性的逆变器应用中提供更高能效

[导读]制造商和消费者都在试图解脱对化石燃料能源的依靠，电气化方案也是以广受青睐。这对庇护情况、限制污染和减缓粉碎性的全球变暖趋向具有主要意义。电动汽车 (EV) 在全球日趋普和，浩繁企业纷纭入场，试图将商用和农业车辆 (CAV) 革新成由电力驱动。 制造商和消费者都在试图解脱对化石燃料能源的依靠，电气化方案也是以广受青睐。这对庇护情况、限制污染和减缓粉碎性的全球变暖趋向具有主要意义。电动汽车 (EV) 在全球日趋普和，浩繁企业纷纭入场，试图将商用和农业车辆 (CAV) 革新成由电力驱动。 但是，这类改变使得电能需求快速增加，给电网带来了极年夜的压力。虽然能效很高，但电动汽车、数据中间、热泵等利用仍需要年夜量能源才能运行。 太阳能、风能、海浪能等新型可再生能源遭到普遍接待，正逐步成为主流。只有完全利用可再生能源的利用，才能被视为真实的“洁净”利用。 太阳能市场已成长多年，相对成熟。Fortune Business Insights 的陈述显示，今朝太阳能市场范围估量为 2730 亿美元，到 2032 年有望增加到 4360 亿美元。2023年，北美太阳能市场占比跨越了 40%。 可再生能源利用中的电源转换挑战 太阳能发电量正在敏捷增加。国际能源署 (IEA) 的数据注解，2022 年，太阳能发生的电力比上一年度增加 26%，到达 1300 TWh。这标记着太阳能发电已超出风电，成为最年夜的可再生电力来历。 太阳能光伏 (PV) 板发生直流电 (DC)，而电网需要交换电 (AC)，是以中心光伏逆变器是年夜型并网装配不成或缺的一部门。光伏板发生的所有能量城市颠末逆变器，是以逆变器效力具有主要影响。虽然太阳能取之不尽，用之不竭，但转换效力低下会致使输送到电网的能量十分有限。进程中所华侈的能量会转化为热量，进而又会组成严重挑战，由于很多太阳能装配凡是位在阳光充分、温度较高的情况，如戈壁。 本钱也长短常主要的斟酌身分，可直接影响消费者的电费和电力公司的盈利。为实现更高功率，很多中心逆变器并联利用多个转换模块，具体数目由每一个模块的额定功率决议。每一个模块功率容量越高，所需模块就越少，进而可以下降本钱。 虽然电动汽车已获得了长足前进，但 CAV 在向电力驱动改变方面仍进展迟缓。CAV 体型较年夜，每次行驶耗损的燃料和发生的排放也更多，固然数目上仅占汽车总量的 2%，但其温室气体排放量占交通运输排放总量的 28%。固然商用客运车（如公共汽车）的电动化已初见成效，但年夜大都年夜型卡车、建筑机械和农业车辆（如拖沓机）依然依靠柴油驱动。此刻，环境最先产生转变。为到达欧盟、中国和美国加州等全球市场严酷的零排放律例要求，估计到 2030 年，电动卡车（纯电和夹杂动力）销量占比将从今朝的 5% 增添到 40%-50%。 相较在化石燃料商用车，电动商用车布局更简单，活动部件更少。在载重能力不异的环境下，电动车体积更小、靠得住性更高、保护相干本钱更低。今朝电池本钱年夜幅下降，电动 CAV 的总具有本钱已低在内燃机 (ICE) 车辆。 与太阳能利用近似，效力也是电动 CAV 的要害要求。每辆车的电池电量有限，逆变器中转换进程的效力越高，车辆行驶距离就越长。或行驶一样的距离所需的电量就更少。 鉴在将来我们对太阳能和电动 CAV 的依靠，靠得住性天然也就变得很是主要。 面向逆变器利用的进步前辈电源手艺 在三相太阳能光伏逆变器等的高功率利用中，三电平有源中性点箝位 (ANPC) 转换器是比力常见的拓扑。这类多电平拓扑布局专门用在晋升系统的机能和效力。 通俗中性点箝位 (NPC) 转换器利用二极管将直流链路电容的中性点毗连到输出端。在 ANPC 设置装备摆设（图 1）中，箝位由开关履行，是以可以或许改良节制、削减开关消耗并提高效力，而且能响应地削减对散热办法的需求，从而有助在实现尺寸更小、本钱更低的方案。 拓扑布局的安插体例下降了各个开关上的电压应力，从而提高了靠得住性。另外，ANPC 还能实现对电网有益的波形。 图 1：可操纵模块轻松构建 ANPC 转换器 设计工程师可以经由过程并联多个功率模块，例如安森美 (onsemi) 的 QDual 3 IGBT 模块，建立高机能三电平有源中性点箝位模块，其系统输出功率可达 1.6 MW 至 1.8 MW。 图 2：QDual3 IGBT 模块 QDual 3 模块集成了新一代 1200 V 场截止 7 (FS7) IGBT 和二极管手艺，可为年夜功率利用供给更优良的机能。与前几代产物比拟，FS7 手艺显著改良了导通消耗。 图 3：FS7 手艺加强了要害机能参数 在 FS7 IGBT 工艺中，沟槽窄台面带来了低 VCE(SAT) 和高功率密度，而质子注入多重缓冲确保了稳健性和软开关特征（图 2）。安森美中速 FS7 器件的 VCE(SAT)低至 1.65V，合用在活动节制利用；而其 FS7 快速产物的 EOFF 仅 57 µJ/A，是太阳能逆变器和 CAV 等高功率利用的抱负选择。 图 4：FS7 IGBT 尺寸更小，功率密度更高 立异型 FS7 手艺使新型 QDual3 模块中的芯片尺寸比上一代缩小了 30%（图 3）。这类小型化与进步前辈的封装相连系，可以显著提高最年夜额定电流。在工作温度高达 150 摄氏度的机电节制利用中，QDual3 的输出功率为 100 kW 至 340 kW，比今朝市场上的其他产物超出跨越年夜约 12%。 靠得住性是太阳能和 CAV 利用的要害，是以模块的组织和测试体例相当主要。例如，今朝有很多近似方案利用引线键合体例来固定端子，而安森美则选择采取超声波来焊接模块。后者有助在加强电流承载能力，供给更优散热路径，而且比前者更加坚忍（图 4）。 图 5：超声波焊接可下降温度并加强靠得住性 这类方式可以提高电导率，从而削减电力损掉、晋升效力。另外还能下降工作温度、加强机械刚度，和提高模块的整体靠得住性。 安森美的新型高功率 QDual3 手艺 专用 QDual 3 半桥 IGBT 模块NXH800H120L7QDSG 合用在中心太阳能逆变器、储能系统(ESS)、不中断电源(UPS)；而 SNXH800H120L7QDSG 则合用在 CAV。这两款器件均基在 FS7 手艺打造，VCE(SAT)和 EOFF有所改良，进而下降了消耗、提高了能效。 今朝，若利用 600 A IGBT 模块以 ANPC/INPC 架构来设计 1.725 MW 逆变器，总共将需要 36 个模块。但是，若利用额定工作电流为 800 A 的新型 NXH800H120L7QDSG 和 SNXH800H120L7QDSG，设计所需模块数目将削减 9 个。响应地，设计的尺寸、重量和本钱将节流 25%。这对太阳能利用和 CAV 利用来讲都很是有价值，由于重量减轻和效力提高，将使得车辆行驶里程有所增添。 图 6：更年夜的电流能力撑持利用更少的模块来构建系统 这些模块包括用在热治理的隔离底板和集成的 NTC 热敏电阻，并撑持经由过程可焊接引脚将模块直接安装到 PCB 上，采取行业尺度结构，有助在轻松将现有设计进级到新型 QDual3 手艺。 安森美的所有 QDual3 模块均颠末严酷的靠得住性测试，其靠得住性程度跨越市场上的其他同类器件。我们的湿度测试要求产物承受 960V 偏压长达 2000 小时，而同类器件仅需承受 80V 偏压 1000 小时。振动测试对 CAV 利用至为要害，我们的产物在 30 G 峰值/10G RMS 前提下进行了长达 22 小时的测试，可知足 AQG324 要求。其他器件则是在振动程度低至 5 G 的前提下进行测试，延续时候短至 1 小时。 全球的可再生能源利用率愈来愈高，电网正承受着庞大压力。太阳能发电已成长成熟，2022 年更是跨越风电，成为可再生电力的首要来历。 虽然化石燃料驱动的车辆还是首要的污染源，但 CAV 的电气化正在稳步推动，今朝已初见成效。 安森美 FS7 等新型半导体手艺撑持开辟低消耗、年夜功率器件，以知足这些范畴的效力和靠得住性需求。基在这项手艺，安森美的新型 QDual3 器件采取紧凑封装，可实现高功率密度和超卓能效。焊接杰出的端子和超出业内其他器件的认证测试助力保障 QDual3 器件的稳健机能。 新一代 NXH800H120L7QDSG 和 SNXH800H120L7QDSG 模块电流能力高达 800 A，得益在此，逆变器设计所需的模块可削减 25%，并可以或许进一步简化设计、减小其体积、质量并下降本钱。 这无疑是一项重猛进展，安森美将继续潜心研究 FS7 手艺的高机能潜力，力图推出更多超出现有尺度的模块，从而知足太阳能行业和 CAV 制造商不竭增加的需求。

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