飛跨電容器在光伏升壓器中的應用

于光伏逆變器而言、不僅注重眾所周知的高效率、同樣要關注成本、尺寸和重量等指標、力求持續(xù)改進。其中多層拓撲是一種能很好地滿足上述所有嚴苛要求的方法。該方法的主要優(yōu)勢之一就是能在多個電壓水平之間切換、能降低半導體的所承受的電壓應力和扼流圈的紋波應力。這意味著能使用價格通常更便宜的低電壓半導體。降低扼流圈的紋波應力則有助于實現更小、更輕和更經濟的扼流圈設計。

飛跨電容器拓撲是一種多電平拓撲、非常適合且不限于光伏逆變器的升壓級應用。顧名思義、這項技術需要電容器作為關鍵部件。本文描述并比較了適用的 TDK 解決方案。

簡介

飛跨電容器多電平轉換器能使用額外的電容器生成額外的(中間)電平(超出直流支撐電容器生成的兩個電平)、從而能根據相連接的半導體開關結構的開關狀態(tài)浮動到不同的電勢、因此它們被稱為“飛跨電容器”。

一旦被充電到合適的電壓(比如直流支撐電壓的一半)時、它們可在下半個開關周期時間內充當一種“電壓源”、從而提供額外的電平。

此類電容器必須保持恒定電壓并暴露在高紋波電流和開關頻率下、因此仔細選擇適合苛刻應用的元件非常重要。

在下文中，我們將通過某些設計示例來介紹、并給出一些元件選型建議。

應用條件

本文中我們假設飛跨電容器的波紋電壓上限ΔUFC = 80 Vpp、開關頻率fSW = 16 kHz、最大峰值電流Ipeak = 60A。

因此、飛跨電容器所需的電容為CFC = 24μF，可通過公式計算。

環(huán)境溫度應為60°C、假定功率模塊的發(fā)熱不會明顯影響飛跨電容器。產生的熱量主要通過PCB散發(fā)、其他少許熱量也通過自然對流散發(fā)到靜止的空氣中。

對于此類應用、可以考慮不同的電容器技術。下文中、我們將通過對比TDK的薄膜電容器和CeraLink?電容器技術來深入闡述。

用于PCB的薄膜電容器

TDK的電容器系列涵蓋不同的電壓和電容范圍、能滿足主流客戶的各種直流支撐應用需求。它們的物理結構各異、具有2到4個引腳和不同的引線間距選項、并且增強了某些電氣特性、比如較低的自感和較高的共振頻率。其具有一系列優(yōu)異性能、比如：能量密度、波紋電流、高達125°C的環(huán)境溫度和濕度防護等級。上述功能特性加上較長的使用壽命(>10萬小時)和穩(wěn)定的電容值，使得這類電容器非常適合高頻開關應用。

有關電容器選型、建模數據和應用模擬、請登錄我們的官網使用CLARA(電容器壽命和額定值計算應用程序)工具。

CeraLink?電容器

作為緊湊型電容器系列的一員、CeraLink?廣泛用于穩(wěn)定直流支撐和緩沖器應用中的電壓。它們采用獨特的反鐵電陶瓷材料技術、電容值會隨著電壓的升高而增加。CeraLink?旨在為工程師提供緊湊型元件、并專門針對快速開關轉換器(比如SIC/GaN)而優(yōu)化。這類轉換器通常都具有非常緊密的空間需求并且要承受高達150°C的工作溫度。

請注意、CeraLink?的電容行為是非線性的、并且針對直流偏置和升溫環(huán)境應用進行了優(yōu)化。如需了解更多信息，請參閱我們的《技術指南》或使用我們的模擬工具箱。

在高達600 VDC的直流偏置水平和80 Vpp的疊加紋波電壓的條件下、CeraLink? FA10 700V型電容器能在25型電容器通常可在25-60°C的溫度范圍內提供4 μF有效電容。

薄膜電容器和CeraLink?電容器的比較

我們在下表中比較了兩個適用電容器解決方案的幾何形狀和電氣性能。若無空間限制、薄膜電容器解決方案在成本和元件數量方面更具優(yōu)勢、因為只需一個或數個元件就能滿足所需的電氣需求。若對解決方案的總高度有限制或通孔技術不可用的情況下、可以選擇CeraLink?技術。此外、如果對電流能力或開關頻率也有更高的要求、則CeraLink?具有更多明顯的優(yōu)勢。

表1：在fSW = 16 kHz的開關頻率下，FC的所需電容為Cfc = 24 μF

優(yōu)勢

在16kHz和65°C的環(huán)境溫度下，設備溫度為150°C，無強制冷卻。

符合預期的配置：在65°C環(huán)境溫度下連續(xù)使用> 88000個小時。

表2：在FSW = 32 kHz的開關頻率下，FC的所需電容為CFC = 12 μF

優(yōu)勢

在32kHz和65°C的環(huán)境溫度下，設備溫度為150°C，無強制冷卻。

符合預期的配置：在65°C環(huán)境溫度下連續(xù)應用> 200000個小時。

結論

飛跨電容升壓器是光伏逆變器應用的高效率低成本解決方案。 主要優(yōu)點是支持倍頻、降低半導體電壓、降低電壓/電流紋波、抑制開關損耗和減少EMI產生。

TDK具有豐富的電容器技術，可提供廣泛的產品陣容滿足各種應用的電容和電壓值需求。點擊產品類型可查看詳細信息。

審核編輯：湯梓紅