【導讀】製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。這對於保護環境
、限製汙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，眾多企業紛紛入場，試圖將商用和農業車輛 (CAV) 改造成由電力驅動。

製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。這對於保護環境
、限製汙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，眾多企業紛紛入場，試圖將商用和農業車輛 (CAV) 改造成由電力驅動。

然而

，這種轉變使得電能需求快速增長，給電網帶來了極大的壓力。盡管能效很高，但電動汽車、數據中心、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。隻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。

太陽能市場已經發展多年，相對成熟。Fortune Business Insights 的報告顯示，目前太陽能市場規模估計為 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換挑戰

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

太陽能光伏 (PV) 板產生直流電 (DC)，而電網需要交流電 (AC)
，yincizhongyangguangfunibianqishidaxingbingwangzhuangzhibukehuoquedeyibufen。guangfubanchanshengdesuoyounengliangdouhuijingguonibianqi，yincinibianqixiaolvjuyouzhongyaoyingxiang。jinguantaiyangnengquzhibujin，yongzhibujie，danzhuanhuanxiaolvdixiahuidaozhishusongdaodianwangdenengliangshifenyouxian。guochengzhongsuolangfeidenenglianghuizhuanhuaweireliang
，jineryouhuigouchengyanjuntiaozhan，yinweixuduotaiyangnengzhuangzhitongchangweiyuyangguangchongpei、溫度較高的環境，如沙漠。

成(cheng)本(ben)也(ye)是(shi)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)的(de)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)，可(ke)直(zhi)接(jie)影(ying)響(xiang)消(xiao)費(fei)者(zhe)的(de)電(dian)費(fei)以(yi)及(ji)電(dian)力(li)公(gong)司(si)的(de)盈(ying)利(li)。為(wei)實(shi)現(xian)更(geng)高(gao)功(gong)率(lv)
，許(xu)多(duo)中(zhong)央(yang)逆(ni)變(bian)器(qi)並(bing)聯(lian)使(shi)用(yong)多(duo)個(ge)轉(zhuan)換(huan)模(mo)塊(kuai)，具(ju)體(ti)數(shu)量(liang)由(you)每(mei)個(ge)模(mo)塊(kuai)的(de)額(e)定(ding)功(gong)率(lv)決(jue)定(ding)。每(mei)個(ge)模(mo)塊(kuai)功(gong)率(lv)容(rong)量(liang)越(yue)高(gao)，所(suo)需(xu)模(mo)塊(kuai)就(jiu)越(yue)少(shao)，進(jin)而(er)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)。

盡管電動汽車已經取得了長足進步，但 CAV 在向電力驅動轉變方麵仍進展緩慢。CAV 體型較大，每次行駛消耗的燃料和產生的排放也更多，雖然數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）的電動化已經初見成效，但大多數大型卡車、建築機械和農業車輛（如拖拉機）仍然依賴柴油驅動。現在，情況開始發生變化。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%。

相較於化石燃料商用車，電動商用車結構更簡單
，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 的總擁有成本已經低於內燃機 (ICE) 車輛。

與太陽能應用類似，效率也是電動 CAV 的關鍵要求。每輛車的電池電量有限，逆變器中轉換過程的效率越高
，車輛行駛距離就越長。或行駛同樣的距離所需的電量就更少。

鑒於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。

麵向逆變器應用的先進電源技術

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) 轉換器是比較常見的拓撲。這種多電平拓撲結構專門用於提升係統的性能和效率。

普通中性點箝位 (NPC) 轉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，箝位由開關執行，因此能夠改善控製、減少開關損耗並提高效率，並且能相應地減少對散熱措施的需求，從而有助於實現尺寸更小
、成本更低的方案。

拓撲結構的布置方式降低了各個開關上的電壓應力，從而提高了可靠性。此外
，ANPC 還能實現對電網有利的波形。

圖 1：可利用模塊輕鬆構建 ANPC 轉換器

設計工程師可以通過並聯多個功率模塊
，例如安森美 (onsemi) 的 QDual 3 IGBT 模塊
，創建高性能三電平有源中性點箝位模塊，其係統輸出功率可達 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，可為大功率應用提供更優異的性能。與前幾代產品相比，FS7 技術顯著改善了導通損耗。

圖 3：FS7 技術增強了關鍵性能參數

在 FS7 IGBT 工藝中，溝槽窄台麵帶來了低 VCE(SAT) 和高功率密度，而質子注入多重緩衝確保了穩健性和軟開關特性（圖 2）。安森美中速 FS7 器件的 VCE(SAT) 低至 1.65V，適用於運動控製應用；而其 FS7 快速產品的 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

創新型 FS7 技術使新型 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 攝氏度的電機控製應用中
，QDual3 的輸出功率為 100 kW 至 340 kW，比目前市場上的其他產品高出大約 12%。

可靠性是太陽能和 CAV 應ying用yong的de關guan鍵jian
，因yin此ci模mo塊kuai的de構gou造zao和he測ce試shi方fang式shi至zhi關guan重zhong要yao。例li如ru，目mu前qian有you許xu多duo類lei似si方fang案an使shi用yong引yin線xian鍵jian合he方fang式shi來lai固gu定ding端duan子zi，而er安an森sen美mei則ze選xuan擇ze采cai用yong超chao聲sheng波bo來lai焊han接jie模mo塊kuai。後hou者zhe有you助zhu於yu增zeng強qiang電dian流liu承cheng載zai能neng力li
，提ti供gong更geng優you散san熱re路lu徑jing
，並bing且qie比bi前qian者zhe更geng為wei堅jian固gu（圖 4）。

圖 5：超聲波焊接可降低溫度並增強可靠性

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

專用 QDual 3 半橋 IGBT 模塊NXH800H120L7QDSG 適用於中央太陽能逆變器、儲能係統(ESS)、不間斷電源(UPS)；而 SNXH800H120L7QDSG 則適用於 CAV。這兩款器件均基於 FS7 技術打造
，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 架構來設計 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
，設計所需模塊數量將減少 9 個。相應地，設計的尺寸、重量和成本將節省 25%。這對於太陽能應用和 CAV 應用來說都非常有價值
，因為重量減輕和效率提高，將使得車輛行駛裏程有所增加。

 圖 6：更大的電流能力支持使用更少的模塊來構建係統

這些模塊包含用於熱管理的隔離底板和集成的 NTC 熱敏電阻，並支持通過可焊接引腳將模塊直接安裝到 PCB 上，采用行業標準布局
，有助於輕鬆將現有設計升級到新型 QDual3 技術。

安森美的所有 QDual3 模塊均經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。振動測試對於 CAV 應用至為關鍵，我們的產品在 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
，持續時間短至 1 小時。

總結

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

盡管化石燃料驅動的車輛仍是主要的汙染源，但 CAV 的電氣化正在穩步推進，目前已初見成效。

安森美 FS7 等新型半導體技術支持開發低損耗、大功率器件，以滿足這些領域的效率和可靠性需求。基於這項技術，安森美的新型 QDual3 器件采用緊湊封裝
，可實現高功率密度和出色能效。焊接良好的端子和超越業內其他器件的認證測試助力保障 QDual3 器件的穩健性能。

新一代 NXH800H120L7QDSG 和 SNXH800H120L7QDSG 模塊電流能力高達 800 A，得益於此
，逆變器設計所需的模塊可減少 25%
，並能夠進一步簡化設計、減小其體積
、質量並降低成本。

這無疑是一項重大進展，安森美將繼續潛心鑽研 FS7 技術的高性能潛力，力求推出更多超越現有標準的模塊
，從而滿足太陽能行業和 CAV 製造商不斷增長的需求。

（作者：安森美產品線經理 Jinchang Zhou）

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