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2021-12-07

技术文章丨基于光伏逆变器应用碳化硅的二极管结温Tj验算方法

逆变器是光伏发电的重要组成部分,早在光伏产业初期,也就是逆变器开发初期,SiC SBD就已经开始在逆变器上使用,现如今不光是SiC SBD器件,随着价格日益降低,SiC MOSFET 也开始逐渐被逆变器厂家所接受。本次专题我们来聊一聊SiC 器件的VF的计算,以及在逆变器上的应用损耗评估。

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一、VF计算方法

SBD的VF值可视作两部分,分别是肖特基结压降(势垒压降)VT和导通电阻压降Vr,其中VT大小与通过的电流无关,表现为负温度系数,与器件材料本身有关,Vrt与器件流过的电流IF成正比,与导通阻抗Rt成正比,Rt随着温度增大而增大,表现为正温度系数,

VFT=VT+Vrt;

Vrt=If*RT

VT=A+(-B*Tj)

RT=C+Tj*D

A,B,C,D为常数,不同厂家相关计算常数有所不同,以C公司1200V20A芯片为例,VFT参数计算如图2,Cxx20120H计算公式。

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二、二极管损耗Eloss计算方法

SBD没有反向恢复损耗,所以功率损耗有三部分:

1、导通压降VF带来的导通损耗Evf,

2、开关损耗Es,所以开关损耗主要为电容C的充放电发生的损耗。

3、漏电损耗,由于漏电量很小,一般可以忽略不计

所以计算公式如下:

Eloss=Evf+Es

Evf=IF*VF

Es=Ec*f

Ec 为单次充放电的损耗,一般规格书中会给出相关曲线,如图3,由于C值与电压VR成正比,所以电压越大,Ec的损耗越大。其中f为开关频率。

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结温计算如图4,Tj=Eloss*Rjc+Tc

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三、模拟计算Tj:

可以进行先预估,后验算的方法来评估Tj,为了模拟计算二极管在拓扑中的工作损耗,我们以常规光伏应用搭建一个系统平台,参考图1,目前市面上的逆变器最大输入电压兼容到1100V,PV输入200-950V,输入MPPT电压升压后的平台设定在630V,当PV电压输入小于630V时,Boost会开始工作,将电压抬高到630V,当PV输入大于等于630V时,二极管直通,输入等于输出母线,PV输入电压与母线电压关系如下图5。

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以常用185组件电流13A,2路/MPPT,IF=26A,取PV输入480V,Boost平台电压630V,此时电源功率最大,Boost工作占空比为D=0.238。开关频率设定16kHz,壳温取终端评估上限110℃。根据图3读取Ec约为10uJ,整理参数如下表:

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封装TO247,Tjc先预估一下大概30℃,Tj1则为140℃.

代入图2公式得: VF1=2.358V

静态损耗Evf1=IF*Vf*(1-D)=46.72W

开关损耗Es1=f*Ec=0.16w

总功耗Eloss1=46.88W

结温Tj2=Eloss1*Rjc+Tc=138.6℃,一般这个数据就比较接近了,也可以再通过该Tj数据再返回验证,用Tj2回代公式验算Tj3,可得Tj3=138.5℃

会发现Tj3与Tj2非常接近,我们可以将Tj3作为最终验算结果。可通过Tj3代入公式,算得其他参数。如表格计算值。

如上述计算结果,当频率不是很高时,开关损耗Es值很小,也可以忽略不计。    随着光伏组件功率的增大,电路需求的电流值也越来越大,掌握了结温计算方法,可以更好地帮助完成功率器件的热设计。希望本文中的结温计算方法可以给你设计带来帮助。

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