基于碳化硅的可再生能源系统设计挑战

太阳能逆变器和ESS应用以及其他可再生能源系统正在使能源网现代化，以提高弹性，满足全球能源需求并减少其整体碳足迹。这些系统必须在恶劣的环境中尽可能高效，并且紧凑且价格低廉。

碳化硅解决方案满足了依赖半导体的可再生能源系统的所有需求，因为它们可以提高功率密度、降低开关损耗和开关频率。Wolfspeed碳化硅解决方案使太阳能功率半导体能够实现更轻、更小、更高效的太阳能逆变器，这些逆变器可在环境温度波动、高湿度和其他恶劣条件下吸收阳光并将其转化为电能。

对于ESS应用，Wolfspeed碳化硅是黄金标准技术，因为我们的碳化硅MOSFET和二极管提供更高的性能和更低的损耗，同时允许工程师创建使用更少组件的系统，从而降低整体系统尺寸和成本。

由于PCB设计阶段的创新和最佳实践，SiC技术运行得更低、更快，使更小、更轻的电力电子设备具有更高的能效。让我们回顾一下器件、子电路和系统级PCB布局设计的一些挑战和技巧。

PCB布局决定碳化硅成败

基于SiC的系统利用卓越的开关特性和低传导损耗来实现比硅更高的开关频率。

这些理想的特性带来了挑战，因为SiC功率器件固有的高压压摆率（dv/dt）和电流压摆率（di/dt）使这些电路对串扰、假导通、寄生谐振和电磁干扰（EMI）敏感。

设备级别

器件级元件之间适当的爬电距离和电气间隙距离至关重要，因为MOSFET支脚/PCB走线之间的空间有助于消除它们之间的闪络或跟踪。各种安全标准根据电压、应用和其他因素规定了不同的间距要求。

IPC标准也可以用作指南，其目的是标准化电子设备/组件的组装和生产要求。虽然不是强制性的，但IPC-2221印刷电路板设计通用标准和IPC 9592功率转换器件性能参数标准可用作估计PCB上导体之间最小间距的指南。

SiC MOSFET和散热器之间的适当爬电距离至关重要。在太阳能应用中，散热器很大，并且机械固定在机箱上，因此水平安装往往很常见，在这种情况下，隔离垫的延伸通常略微超过端子的弯曲会增加爬电距离。由于机箱形状不同，有时端子必须弯曲成一定角度。

子电路电平

较高的压摆率与寄生电容和环路电感相结合，使电路对串扰、假导通、电压过冲、振铃和潜在的EMI问题更加敏感。

在此级别，SiC栅极驱动器用于打开和关闭功率半导体;根据不同的元件，门口可能会出现振荡和过冲。振荡可以通过更高的阻尼来控制，阻尼与栅极电阻成正比，与栅极环路电感成反比-低电感栅极环路可在不影响压摆率的情况下实现更高的阻尼。

SiC栅极驱动的PCB布局应包括一个紧凑的栅极环路，以抑制栅极电阻并降低振荡电压，使栅极驱动不易受到外部磁场的影响。在PCB布局过程中，寄生电容也必须最小化，因为与高dv/dt一起，它们会导致串扰、假导通和开关损耗增加——它们还决定了压摆率，并有助于最大限度地减少高电场和磁场的影响。

系统级的PCB布局会影响冷却。小心的元件放置也是如此，这在优化开关单元方面起着关键作用。

系统级

最小化EMI并保护敏感信号免受高磁场和电场的影响尤其重要，因此PCB布局应倾向于将输入和输出连接器放置在电路板的相对两侧以避免噪声耦合，而输入EMI滤波器和输入/输出连接器应远离高dv/dt走线/节点，以避免噪声耦合。敏感信号，包括栅极回路和控制信号，应远离高dV/dt走线/节点和高磁场，如PFC扼流圈、DC-DC功率磁性元件。

元件放置可以改善或恶化冷却，这取决于铜平面的尺寸和用于散热的层数、热通孔直径、间距和铜厚度。确保MOSFET不靠近其他热源，包括其他功率半导体，同时使用铜层（最好是多层）会将热量从MOSFET散发出去。

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审核编辑：汤梓红