高效可再生能源系统的碳化硅设计方案

太阳能逆变器和ESS应用以及其他可再生能源系统正在使电网现代化，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，并且结构紧凑且价格低廉。

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，因为它们能够提高功率密度、降低开关损耗和提高开关频率。碳化硅解决方案为太阳能半导体提供更轻、更小、更高效的太阳能逆变器，这些半导体在经历环境温度波动、高湿度和其他恶劣条件的环境中吸收阳光并将其转化为电能。

对于ESS应用，

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技术运行温度更低、速度更快，并实现了更小、更轻的电力电子设备和更高的能源效率。让我们回顾一下在器件、子电路和系统层面进行PCB布局设计的一些挑战和技巧。

PCB布局决定SiC的成功与否

基于SiC的系统利用卓越的开关特性和低导通损耗，可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功率器件固有的高电压压摆率（dv/dt）和电流压摆率（di/dt）使这些电路对串扰、误导通、寄生谐振和电磁干扰（EMI）敏感。

设备级

在器件级，元件之间适当的爬电距离和间隙距离至关重要，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印制电路板设计通用标准和IPC 9592电源转换设备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，并且通过机械固定在机箱上，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度会增加爬电距离。由于机箱形状不同，有时端子必须弯曲成一定角度。

子电路级别

更高的转换速率与寄生电容和环路电感相结合，使电路对串扰、误导通、电压过冲、振铃和潜在的EMI问题更加敏感。

在这个级别上，SiC栅极驱动用于打开和关闭功率半导体;根据不同的元件，栅极可能会发生振荡和过冲。振荡可以通过更高的阻尼来控制，这与栅极电阻成正比，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栅极驱动器的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，使栅极驱动器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，因为除了高dv/dt外，它们还会导致串扰、误导通和开关损耗增加，它们还决定了压摆率，并有助于将高电场和磁场的影响降至最低。

系统级的PCB布局会影响冷却。仔细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为重要，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/输出连接器应放置在远离高dv/dt走线/节点的位置，以避免噪声耦合。敏感信号，包括栅极环路和控制信号，应远离高dV/dt迹线/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降低冷却效果，这取决于铜平面的大小和用于散热的层数、热通孔直径、间距和铜厚度。确保MOSFET不要靠近其他热源，包括其他功率半导体，同时使用铜平面（最好是多层），将热量从MOSFET散发出去。

无锡国晶微半导体技术有限公司是宽禁带第三代半导体碳化硅SiC功率器件、氮化镓GaN光电器件以及常规集成电路研发及产业化的高科技创新型企业，从事碳化硅场效应管，碳化硅肖特基二极管、GaN光电光耦继电器、单片机集成电路等产品芯片设计、生产与销售并提供相关产品整体方案设计配套服务，总部位于江苏省无锡市高新技术开发区内，并在杭州、深圳和香港设有研发中心和销售服务支持中心及办事处。

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特别在高低压光耦半导体技术方面更是拥有业内领先的研发团队。在国内创先设计开发了28nm 光敏光栅开关PVG芯片技术，并成功量产应用于60V、400V、600V高低压、低内阻、低电容的光电耦合继电器芯片、涵盖1500kVrms SOP超小封装及3750kVrms 隔离增强型常规SMD、DIP等不同封装，单路、双路、混合双路、常开常闭等电路产品，另包括200V SOI MOS/LIGBT集成芯片、100V CMOS/LDMOS集成芯片、8bit及32bit单片机等集成电路产品，均获得市场及各重点科研单位、检测机构的新产品认定。

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编辑：黄飞