揭开光伏辅助电源的神秘面纱

随着“3060”碳中和目标的提出，一时间光伏发电行业引起了社会的广泛关注。光伏逆变器是光伏发电中至关重要的设备，承担着电池板功率控制（MPPT）以及直流交流转换（DC/AC）的重任。每一台光伏逆变器，都有一套或者两套辅助电源默默的“点亮”控制和驱动电路。对于几十kW以下的户用单相机或者小三相机，一般一套几十瓦的辅助电源就可以满足要求。而对于最近比较火爆的用于1500V地面电站的200kW plus的组串式逆变器，则需要两套150W~200W的辅助电源，一套位于直流侧承担着主要的供电任务，一套位于交流测担负着PID修复以及后备供电任务。辅助电源在光伏逆变器中默默的工作，低调的存在，但是却不可或缺。下面我们就一起来揭开光伏辅助电源的神秘面纱。

一、辅助电源拓扑结构

一般来说1100Vdc的组串式逆变器的辅助电源会采用单端反激的拓扑，如图1所示：

图1.应用于1100Vdc光伏逆变器的辅助电源拓扑

对于1500Vdc的组串式逆变器，由于现有功率器件电压等级的限制，光伏的辅助电源比较多采用的拓扑是双端反激拓扑。如图2所示：

图2.应用于1500Vdc光伏逆变器的辅助电源拓扑

无论那种拓扑都离不开核心的功率器件，即1700V MOSFET。众所周知，组串式逆变器的辅助电源对体积、效率、成本都有着很高的要求。因此功率器件的选型就成了关键。

二、英飞凌1700V SiC MOSFET在光伏辅助电源中的应用优势

如图3所示，三种不同MOSFET的辅助电源效率与输入电压的关系曲线。可以看到，SiC MOSFET的效率会比Si MOSFET高2.5%以上。更高的效率同时也意味着更少的散热上的投入，更小的体积。另外，SiC器件可以工作到更高的开关频率，更高的开关频率可以进一步降低无源器件的尺寸。鉴于目前光伏辅助电源的开关频率都在60kHz以上，采用1700V的SiC MOSFET就成了不二的选择。

图3.1700V SiC MOS与Si MOS的效率对比

英飞凌推出的1700V 450mΩ/650mΩ/1000mΩ的CoolSiC MOSFET系列可以满足客户不同功率段的应用要求（详细产品信息可点击：新品 | 采用D2PAK-7L封装的1700V CoolSiC MOSFET，辅助电源的理想搭档）。该产品采用经典的D2PAK-7L封装，实物如图4所示。

作为一款辅助电源应用的主推产品，其主要的优势如下：

1.更高的电气间隙和爬电距离

D2PAK-7L封装电气间隙和爬电距离为7.1mm，如图5所示。根据IEC60664-4标准，如图6所示7.1mm的电气间隙可以满足>1800V的峰值电压的要求。而传统的TO247封装只能满足~1400V峰值电压的要求。

图6.IEC60664-4的电气间隙要求

2.可以直接通过控制器来驱动，省掉了驱动电路

图7所示，IMBF170R1K0M1的推荐门级驱动正电压为12~15V，负电压为0V。更重要的是该产品的门级电荷非常小，Qg仅为5nF，对控制芯片的带载能力的要求很低。另外，12~15V的电压也在控制芯片I/O口的输出范围之内，因此可以采用控制芯片的I/O口直接进行驱动。现在市场上主流的控制芯片的都可以满足该要求。

图7.IMBF170R1K0M1的推荐门极驱动电压

3.贴片封装，紧凑设计，提高生产安装效率

经典的D2PAK-7L贴片封装，支持回流焊。普通的TO247封装，作为一种直插的封装，还需要多一次波峰焊。另外，TO247封装需要涂抹导热硅脂，需要绝缘垫片以及散热器。相对于PCB散热，其安装方式较为复杂，成本也较高。最后，由于贴片封装尺寸较小，节约了宝贵的PCB的空间。尤其适用于一些对电路板的高度有严格要求的场景。

三、应用建议，散热的处理

说到这里，很多小伙伴内心深处不禁想问：如此紧凑的封装，芯片的散热是不是很难处理？其实不然，首先贴片封装直接通过焊接的方式焊在PCB铜箔上,其结到壳(Junction-Case)的热阻是与TO247类似的。而且相对于导热硅脂，焊接的导热效果更好。贴片封装的问题主要在如何将PCB铜箔上的热量有效的扩散出去。目前基于贴片封装的辅助散热技术已经非常成熟了。对于功率不大的小功率辅助电源，我们可以直接采用铜箔打过孔，并且表面敷铝的方式进行散热，见图8(a)。对于功率较大的应用场合，我们可以采用散热器辅助散热的方式，见图8(b)。总之，一个好的贴片封装的散热设计，其效果不输于传统的TO247封装。

退一步来说，如果损耗实在太大不好处理，我们还有1700V 450mΩ/650mΩ的产品可以选择。在封装上它们与1000mΩ的MOSFET完全兼容，并且具有更低的损耗和更低的热阻。

最后说一下：基于该产品，英飞凌还有一个开发套件可供设计参考。可以点击文末“阅读原文”，即可打开链接下载开发套件的技术资料。

 

 

原文标题：英飞凌1700V CoolSiC™ MOSFET在光伏辅助电源上的应用

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责任编辑：haq