飞跨电容器在光伏升压器中的应用
飞跨电容器在光伏升压器中的应用
于光伏逆变器而言、不仅注重众所周知的高效率、同样要关注成本、尺寸和重量等指标、力求持续改进。其中多层拓扑是一种能很好地满足上述所有严苛要求的方法。该方法的主要优势之一就是能在多个电压水平之间切换、能降低半导体的所承受的电压应力和扼流圈的纹波应力。这意味着能使用价格通常更便宜的低电压半导体。降低扼流圈的纹波应力则有助于实现更小、更轻和更经济的扼流圈设计。
飞跨电容器拓扑是一种多电平拓扑、非常适合且不限于光伏逆变器的升压级应用。顾名思义、这项技术需要电容器作为关键部件。本文描述并比较了适用的 TDK 解决方案。
简介
飞跨电容器多电平转换器能使用额外的电容器生成额外的(中间)电平(超出直流支撑电容器生成的两个电平)、从而能根据相连接的半导体开关结构的开关状态浮动到不同的电势、因此它们被称为“飞跨电容器”。
一旦被充电到合适的电压(比如直流支撑电压的一半)时、它们可在下半个开关周期时间内充当一种“电压源”、从而提供额外的电平。
此类电容器必须保持恒定电压并暴露在高纹波电流和开关频率下、因此仔细选择适合苛刻应用的元件非常重要。
在下文中，我们将通过某些设计示例来介绍、并给出一些元件选型建议。
应用条件
本文中我们假设飞跨电容器的波纹电压上限ΔUFC = 80 Vpp、开关频率fSW = 16 kHz、最大峰值电流Ipeak = 60A。
因此、飞跨电容器所需的电容为CFC = 24µF，可通过公式计算。
环境温度应为60°C、假定功率模块的发热不会明显影响飞跨电容器。产生的热量主要通过PCB散发、其他少许热量也通过自然对流散发到静止的空气中。
对于此类应用、可以考虑不同的电容器技术。下文中、我们将通过对比TDK的薄膜电容器和CeraLink®电容器技术来深入阐述。
用于PCB的薄膜电容器
TDK的电容器系列涵盖不同的电压和电容范围、能满足主流客户的各种直流支撑应用需求。它们的物理结构各异、具有2到4个引脚和不同的引线间距选项、并且增强了某些电气特性、比如较低的自感和较高的共振频率。其具有一系列优异性能、比如：能量密度、波纹电流、高达125°C的环境温度和湿度防护等级。上述功能特性加上较长的使用寿命(>10万小时)和稳定的电容值，使得这类电容器非常适合高频开关应用。
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CeraLink®电容器
作为紧凑型电容器系列的一员、CeraLink®广泛用于稳定直流支撑和缓冲器应用中的电压。它们采用独特的反铁电陶瓷材料技术、电容值会随着电压的升高而增加。CeraLink®旨在为工程师提供紧凑型元件、并专门针对快速开关转换器(比如SIC/GaN)而优化。这类转换器通常都具有非常紧密的空间需求并且要承受高达150°C的工作温度。
请注意、CeraLink®的电容行为是非线性的、并且针对直流偏置和升温环境应用进行了优化。如需了解更多信息，请参阅我们的《技术指南》或使用我们的模拟工具箱。
在高达600 VDC的直流偏置水平和80 Vpp的叠加纹波电压的条件下、CeraLink® FA10 700V型电容器能在25型电容器通常可在25-60°C的温度范围内提供4 µF有效电容。
薄膜电容器和CeraLink®电容器的比较
我们在下表中比较了两个适用电容器解决方案的几何形状和电气性能。若无空间限制、薄膜电容器解决方案在成本和元件数量方面更具优势、因为只需一个或数个元件就能满足所需的电气需求。若对解决方案的总高度有限制或通孔技术不可用的情况下、可以选择CeraLink®技术。此外、如果对电流能力或开关频率也有更高的要求、则CeraLink®具有更多明显的优势。
表1：在fSW = 16 kHz的开关频率下，FC的所需电容为Cfc = 24 µF
| 参数 | 单位 |
薄膜电容器 (B32714H8805J000)** |
CeraLink®电容器FA10 (B58035U7505M001) |
| 宽度（最大值） | [mm] | 18.0 | 7.8 |
| 高度（最大值） | [mm] | 33.0 | 9.6 |
| 长度（最大值） | [mm] | 31.5 | 30.5 |
| 体积 | [cm³] | 18.7 | 2.3 |
| 着陆垫宽度 | [mm] | - | 10.7 |
| 着陆垫长度 | [mm] | - | 31.0 |
| 占板面积 | [cm²] | 5.7 | 3.3 |
| 重量 | [g] | 24.5 | 11.5 |
| 电容 | [µF] | 8.0 | 4 |
| 单位面积的电容 | [µF/cm²] | 1.4 | 1.21 |
| 单位体积的电容 | [µF/cm³] | 0.43 | 1.74 |
| 电流能力 | [ARMS] | 10.9 | 16.0 * |
| 额定电压 | [Vdc] | 800 | 700 |
| 所需电容器总数 | [件] | 3 | 6 |
| 方案的总占板面积 | [cm²] | 17.1 | 19.8 |
| 方案的总体积 | [cm³] | 56.1 | 13.8 |
| 方案的总重量 | [g] | 73.5 | 69.0 |
| 总电流能力 | [ARMS] | 32.7 | 96 * |
优势
| 安装技术 | 通孔 | 表面安装 |
在16kHz和65°C的环境温度下，设备温度为150°C，无强制冷却。
符合预期的配置：在65°C环境温度下连续使用> 88000个小时。
表2：在FSW = 32 kHz的开关频率下，FC的所需电容为CFC = 12 µF
| 参数 | 单位 |
薄膜电容器 (B32774H1335K000)** |
CeraLink电容器FA10 (B58035U7505M001) |
| 宽度（最大值） | [mm] | 19.0 | 7.8 |
| 高度（最大值） | [mm] | 30.0 | 9.6 |
| 长度（最大值） | [mm] | 31.5 | 30.5 |
| 体积 | [cm³] | 17.9 | 2.3 |
| 着陆垫宽度 | [mm] | - | 10.7 |
| 着陆垫长度 | [mm] | - | 31.0 |
| 占板面积 | [cm²] | 5.9 | 3.3 |
| 重量 | [g] | 20.3 | 11.5 |
| 电容 | [µF] | 3.3 | 4 |
| 单位面积的电容 | [µF/cm²] | 0.55 | 1.21 |
| 单位体积的电容 | [µF/cm³] | 0.18 | 1.74 |
| 电流能力 | [ARMS] | 11.8 | 22 * |
| 额定电压 | [Vdc] | 1100 | 700 |
| 所需电容器总数 | [件] | 4 | 3 |
| 方案的总占板面积 | [cm²] | 23.6 | 9.9 |
| 方案的总体积 | [cm³] | 71.6 | 6.9 |
| 方案的总重量 | [g] | 81.2 | 34.5 |
| 总电流能力 | [ARMS] | 47.2 | 66 * |
优势
| 安装技术 | 通孔 | 表面安装 |
在32kHz和65°C的环境温度下，设备温度为150°C，无强制冷却。
符合预期的配置：在65°C环境温度下连续应用> 200000个小时。
结论
飞跨电容升压器是光伏逆变器应用的高效率低成本解决方案。 主要优点是支持倍频、降低半导体电压、降低电压/电流纹波、抑制开关损耗和减少EMI产生。
TDK具有丰富的电容器技术，可提供广泛的产品阵容满足各种应用的电容和电压值需求。点击产品类型可查看详细信息。
审核编辑：汤梓红
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