制造商和消費者都在試圖擺脫對化石燃料能源的依賴，電氣化方案也因此廣受青睞。這對于保護環(huán)境、限制污染以及減緩破壞性的全球變暖趨勢具有重要意義。電動汽車 (EV) 在全球日益普及，眾多企業(yè)紛紛入場，試圖將商用和農(nóng)業(yè)車輛 (CAV) 改造成由電力驅(qū)動。

然而，這種轉(zhuǎn)變使得電能需求快速增長，給電網(wǎng)帶來了極大的壓力。盡管能效很高，但電動汽車、數(shù)據(jù)中心、熱泵等應用仍需要大量能源才能運行。

太陽能、風能、波浪能等新型可再生能源受到廣泛歡迎，正逐漸成為主流。只有完全使用可再生能源的應用，才能被視為真正的“清潔”應用。

太陽能市場已經(jīng)發(fā)展多年，相對成熟。Fortune Business Insights 的報告顯示，目前太陽能市場規(guī)模估計為 2730 億美元，到 2032 年有望增長到 4360 億美元。2023年，北美太陽能市場占比超過了 40%。

可再生能源應用中的電源轉(zhuǎn)換挑戰(zhàn)

太陽能發(fā)電量正在迅速增長。國際能源署 (IEA) 的數(shù)據(jù)表明，2022 年，太陽能產(chǎn)生的電力比上一年度增長 26%，達到 1300 TWh。這標志著太陽能發(fā)電已超越風電，成為最大的可再生電力來源。

太陽能光伏 (PV) 板產(chǎn)生直流電 (DC)，而電網(wǎng)需要交流電 (AC)，因此中央光伏逆變器是大型并網(wǎng)裝置不可或缺的一部分。光伏板產(chǎn)生的所有能量都會經(jīng)過逆變器，因此逆變器效率具有重要影響。盡管太陽能取之不盡，用之不竭，但轉(zhuǎn)換效率低下會導致輸送到電網(wǎng)的能量十分有限。過程中所浪費的能量會轉(zhuǎn)化為熱量，進而又會構(gòu)成嚴峻挑戰(zhàn)，因為許多太陽能裝置通常位于陽光充沛、溫度較高的環(huán)境，如沙漠。

成本也是非常重要的考慮因素，可直接影響消費者的電費以及電力公司的盈利。為實現(xiàn)更高功率，許多中央逆變器并聯(lián)使用多個轉(zhuǎn)換模塊，具體數(shù)量由每個模塊的額定功率決定。每個模塊功率容量越高，所需模塊就越少，進而可以降低成本。

盡管電動汽車已經(jīng)取得了長足進步，但 CAV 在向電力驅(qū)動轉(zhuǎn)變方面仍進展緩慢。CAV 體型較大，每次行駛消耗的燃料和產(chǎn)生的排放也更多，雖然數(shù)量上僅占汽車總量的 2%，但其溫室氣體排放量占交通運輸排放總量的 28%。雖然商用客運車（如公共汽車）的電動化已經(jīng)初見成效，但大多數(shù)大型卡車、建筑機械和農(nóng)業(yè)車輛（如拖拉機）仍然依賴柴油驅(qū)動?，F(xiàn)在，情況開始發(fā)生變化。為達到歐盟、中國和美國加州等全球市場嚴格的零排放法規(guī)要求，預計到 2030 年，電動卡車（純電和混合動力）銷量占比將從目前的 5% 增加到 40%-50%。

相較于化石燃料商用車，電動商用車結(jié)構(gòu)更簡單，運動部件更少。在載重能力相同的情況下，電動車體積更小、可靠性更高、維護相關(guān)成本更低。目前電池成本大幅降低，電動 CAV 的總擁有成本已經(jīng)低于內(nèi)燃機 (ICE) 車輛。

與太陽能應用類似，效率也是電動 CAV 的關(guān)鍵要求。每輛車的電池電量有限，逆變器中轉(zhuǎn)換過程的效率越高，車輛行駛距離就越長?；蛐旭偼瑯拥木嚯x所需的電量就更少。

鑒于未來我們對太陽能和電動 CAV 的依賴，可靠性自然也就變得非常重要。

面向逆變器應用的先進電源技術(shù)

在三相太陽能光伏逆變器等的高功率應用中，三電平有源中性點箝位 (ANPC) 轉(zhuǎn)換器是比較常見的拓撲。這種多電平拓撲結(jié)構(gòu)專門用于提升系統(tǒng)的性能和效率。

普通中性點箝位 (NPC) 轉(zhuǎn)換器使用二極管將直流鏈路電容的中性點連接到輸出端。在 ANPC 配置（圖 1）中，箝位由開關(guān)執(zhí)行，因此能夠改善控制、減少開關(guān)損耗并提高效率，并且能相應地減少對散熱措施的需求，從而有助于實現(xiàn)尺寸更小、成本更低的方案。

拓撲結(jié)構(gòu)的布置方式降低了各個開關(guān)上的電壓應力，從而提高了可靠性。此外，ANPC 還能實現(xiàn)對電網(wǎng)有利的波形。

圖 1：可利用模塊輕松構(gòu)建 ANPC 轉(zhuǎn)換器

設(shè)計工程師可以通過并聯(lián)多個功率模塊，例如安森美 (onsemi) 的 QDual 3 IGBT 模塊，創(chuàng)建高性能三電平有源中性點箝位模塊，其系統(tǒng)輸出功率可達 1.6 MW 至 1.8 MW。

圖 2：QDual3 IGBT 模塊

QDual 3 模塊集成了新一代 1200 V 場截止 7 (FS7) IGBT 和二極管技術(shù)，可為大功率應用提供更優(yōu)異的性能。與前幾代產(chǎn)品相比，F(xiàn)S7 技術(shù)顯著改善了導通損耗。

圖 3：FS7 技術(shù)增強了關(guān)鍵性能參數(shù)

在 FS7 IGBT 工藝中，溝槽窄臺面帶來了低 VCE(SAT) 和高功率密度，而質(zhì)子注入多重緩沖確保了穩(wěn)健性和軟開關(guān)特性（圖 2）。安森美中速 FS7 器件的 VCE(SAT)低至 1.65V，適用于運動控制應用；而其 FS7 快速產(chǎn)品的 EOFF 僅 57 μJ/A，是太陽能逆變器和 CAV 等高功率應用的理想選擇。

圖 4：FS7 IGBT 尺寸更小，功率密度更高

創(chuàng)新型 FS7 技術(shù)使新型 QDual3 模塊中的芯片尺寸比上一代縮小了 30%（圖 3）。這種小型化與先進的封裝相結(jié)合，可以顯著提高最大額定電流。在工作溫度高達 150 攝氏度的電機控制應用中，QDual3 的輸出功率為 100 kW 至 340 kW，比目前市場上的其他產(chǎn)品高出大約 12%。

可靠性是太陽能和 CAV 應用的關(guān)鍵，因此模塊的構(gòu)造和測試方式至關(guān)重要。例如，目前有許多類似方案使用引線鍵合方式來固定端子，而安森美則選擇采用超聲波來焊接模塊。后者有助于增強電流承載能力，提供更優(yōu)散熱路徑，并且比前者更為堅固（圖 4）。

圖 5：超聲波焊接可降低溫度并增強可靠性

這種方法可以提高電導率，從而減少電力損失、提升效率。此外還能降低工作溫度、增強機械剛度，以及提高模塊的整體可靠性。

安森美的新型高功率 QDual3 技術(shù)

專用 QDual 3 半橋 IGBT 模塊NXH800H120L7QDSG 適用于中央太陽能逆變器、儲能系統(tǒng)(ESS)、不間斷電源(UPS)；而 SNXH800H120L7QDSG 則適用于 CAV。這兩款器件均基于 FS7 技術(shù)打造，VCE(SAT)和 EOFF有所改進，進而降低了損耗、提高了能效。

目前，若使用 600 A IGBT 模塊以 ANPC/INPC 架構(gòu)來設(shè)計 1.725 MW 逆變器，總共將需要 36 個模塊。然而，若使用額定工作電流為 800 A 的新型 NXH800H120L7QDSG 和 SNXH800H120L7QDSG，設(shè)計所需模塊數(shù)量將減少 9 個。相應地，設(shè)計的尺寸、重量和成本將節(jié)省 25%。這對于太陽能應用和 CAV 應用來說都非常有價值，因為重量減輕和效率提高，將使得車輛行駛里程有所增加。

圖 6：更大的電流能力支持使用更少的模塊來構(gòu)建系統(tǒng)

這些模塊包含用于熱管理的隔離底板和集成的 NTC 熱敏電阻，并支持通過可焊接引腳將模塊直接安裝到 PCB 上，采用行業(yè)標準布局，有助于輕松將現(xiàn)有設(shè)計升級到新型 QDual3 技術(shù)。

安森美的所有 QDual3 模塊均經(jīng)過嚴格的可靠性測試，其可靠性水平超過市場上的其他同類器件。我們的濕度測試要求產(chǎn)品承受 960V 偏壓長達 2000 小時，而同類器件僅需承受 80V 偏壓 1000 小時。振動測試對于 CAV 應用至為關(guān)鍵，我們的產(chǎn)品在 30 G 峰值/10G RMS 條件下進行了長達 22 小時的測試，可滿足 AQG324 要求。其他器件則是在振動水平低至 5 G 的條件下進行測試，持續(xù)時間短至 1 小時。

總結(jié)

全世界的可再生能源使用率越來越高，電網(wǎng)正承受著巨大壓力。太陽能發(fā)電已經(jīng)發(fā)展成熟，2022 年更是超過風電，成為可再生電力的主要來源。

盡管化石燃料驅(qū)動的車輛仍是主要的污染源，但 CAV 的電氣化正在穩(wěn)步推進，目前已初見成效。

安森美 FS7 等新型半導體技術(shù)支持開發(fā)低損耗、大功率器件，以滿足這些領(lǐng)域的效率和可靠性需求。基于這項技術(shù)，安森美的新型 QDual3 器件采用緊湊封裝，可實現(xiàn)高功率密度和出色能效。焊接良好的端子和超越業(yè)內(nèi)其他器件的認證測試助力保障 QDual3 器件的穩(wěn)健性能。

新一代 NXH800H120L7QDSG 和 SNXH800H120L7QDSG 模塊電流能力高達 800 A，得益于此，逆變器設(shè)計所需的模塊可減少 25%，并能夠進一步簡化設(shè)計、減小其體積、質(zhì)量并降低成本。

這無疑是一項重大進展，安森美將繼續(xù)潛心鉆研 FS7 技術(shù)的高性能潛力，力求推出更多超越現(xiàn)有標準的模塊，從而滿足太陽能行業(yè)和 CAV 制造商不斷增長的需求。