太陽(yáng)能系統(tǒng)的發(fā)展勢(shì)頭越來(lái)越強(qiáng)，光伏逆變器的性能是技術(shù)創(chuàng)新的核心。設(shè)計(jì)該項(xiàng)光伏逆變器旨在盡可能高效地利用太陽(yáng)能。

其中一項(xiàng)創(chuàng)新涉及使用氮化鎵 (GaN)。氮化鎵正在快速取代硅 (Si) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 系統(tǒng)。GaN 不僅能提高太陽(yáng)能系統(tǒng)的性能，也能提升整個(gè)系統(tǒng)的效率，此外，在保證縮小系統(tǒng)尺寸的同時(shí)，還能降低熱損耗、易于安裝和降低成本。

比較 GaN、SiC 和 IGBT

GaN 憑借其每個(gè)裸片區(qū)更優(yōu)的電阻（Rsp）、更低的輸入輸出電容（Ciss 和 Coss）以及零反向恢復(fù)電荷等特性，顯著提升了功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能。這些特性對(duì)于在開(kāi)關(guān)頻率升高的情況下降低導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗至關(guān)重要，而這反過(guò)來(lái)又會(huì)減小無(wú)源元件的體積，使系統(tǒng)更輕便和更緊湊。

研究人員正在積極致力于通過(guò)改進(jìn)制造、Rsp 和封裝，最大限度地發(fā)揮 GaN 的潛力。例如，如表 1 所示，與雙 decawatt 封裝 (D2PAK) 或晶體管封裝輪廓 (TO)–247 封裝等表面貼裝封裝相比，晶體管封裝輪廓無(wú)引線 (TOLL)的表面貼裝封裝具有更好的熱性能和更低的寄生效應(yīng)。

表 1 TO-247、D2PAK、TOLL 封裝中的GaN 器件熱阻值

TOLL 封裝簡(jiǎn)介

作為無(wú)引線封裝，TOLL 封裝的寄生電感非常低，因而開(kāi)關(guān)速度更快（減少開(kāi)關(guān)損耗）、壓擺率更高并且電磁干擾更低。TOLL 封裝的尺寸為 9.9mm x 11.68mm x 2.3mm，顯著小于 TO-247 的封裝尺寸 15.94mm x 20.95mm x 5.02mm，如此以來(lái)，印刷電路板上可利用的面積會(huì)增加 70%。經(jīng)過(guò)優(yōu)化的 GaN 工藝使 GaN 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 具有極低的漏源導(dǎo)通電阻 (RDS (on))，適用于高功率應(yīng)用。TOLL 封裝的尺寸緊湊，可實(shí)現(xiàn)更快的熱損耗并提高熱效率。

將 GaN FET 與驅(qū)動(dòng)器集成在一起，可進(jìn)一步提高效率和降低成本，有助于減少柵極電感環(huán)路數(shù)量，并在功率級(jí)中嵌入過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)功能。通過(guò)集成可以更好地利用 TOLL 封裝的優(yōu)勢(shì)，從而進(jìn)一步降低寄生效應(yīng)和系統(tǒng)成本。TI 的 LMG3650等器件結(jié)合了集成和高效散熱封裝的優(yōu)勢(shì)，可用于高壓電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在高壓電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，熱性能是主要考慮因素，尤其在有源冷卻面臨挑戰(zhàn)的情況下更應(yīng)如此。

TOLL 在能源基礎(chǔ)設(shè)施方面的應(yīng)用

鑒于商業(yè)和住宅環(huán)境的需求，太陽(yáng)能微型逆變器、串式逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)都具有對(duì)效率、尺寸和成本敏感的功率轉(zhuǎn)換級(jí)。

在太陽(yáng)能應(yīng)用中，逆變器輸出通常與交流電網(wǎng)相連接，F(xiàn)ET 的額定電壓需達(dá)到 650V。此外，這些逆變器應(yīng)盡可能緊湊，以便靈活地應(yīng)用于住宅或商業(yè)系統(tǒng)。高壓 GaN FET 的額定絕對(duì)最大電壓為 800V，并能增加開(kāi)關(guān)頻率，縮小無(wú)源器件的尺寸，從而滿足高電壓和尺寸兩項(xiàng)系統(tǒng)要求。TOLL 封裝具有高效散熱特性，適用于系統(tǒng)環(huán)境溫度高于室溫且有效熱損耗至關(guān)重要的太陽(yáng)能應(yīng)用中。

LMG3650 中的集成式功率級(jí)提供過(guò)熱保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和欠壓鎖定等保護(hù)功能，無(wú)需外部保護(hù)電路，從而降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性和縮小尺寸。它具有零電壓檢測(cè)和過(guò)零檢測(cè)等高級(jí)功能，可優(yōu)化死區(qū)時(shí)間并降低損耗，還配有 5V 低壓降穩(wěn)壓器，為驅(qū)動(dòng)任何輔助電路輸出電流源。這些特性有助于優(yōu)化能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能和成本。

基于 GaN 的 600W 單相 Cyclo 轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)具有循環(huán)換流器拓?fù)?，在高壓?cè)使用LMG3650，在低壓側(cè)使用LMG2100。該參考設(shè)計(jì)展示了集成式 GaN 器件的潛力，該器件的功率密度為 640W/L，峰值效率為 96.1%，并可在高達(dá) 600kHz 的開(kāi)關(guān)頻率下運(yùn)行。

使用 TOLL 器件進(jìn)行設(shè)計(jì)

為您的設(shè)計(jì)選擇合適的 GaN 器件是通過(guò)降低開(kāi)關(guān)和傳導(dǎo)損耗來(lái)提高系統(tǒng)性能的必要條件。使用 RDS (on) 較低的器件可能不是提高效率的一站式解決方案，因?yàn)樗枰^大的 GaN 芯片，這會(huì)增加輸出電容，進(jìn)而增加開(kāi)關(guān)損耗和成本。

在硬開(kāi)關(guān)拓?fù)渲?，具備較高 Coss 的低 RDS (on) 會(huì)致使開(kāi)關(guān)損耗大于導(dǎo)通損耗，而在軟開(kāi)關(guān)拓?fù)渲?，?RDS (on) 能提高效率并且使開(kāi)關(guān)和導(dǎo)通損耗非常低。

設(shè)計(jì)人員需要關(guān)注的另一點(diǎn)是多源功能。TI 的集成式 TOLL GaN 器件的封裝與分立式 TOLL GaN 器件兼容，并為我們的客戶提供多種采購(gòu)選擇。如圖 1 所示，您可以通過(guò)保持原理圖和布局不變，僅對(duì)元件進(jìn)行微小更改，便能將 TI 的 TOLL 器件部署在與分立式器件相同的電路板上。

圖 1 TI 和分立式 TOLL GaN 封裝的原理圖

結(jié)語(yǔ)

隨著功率需求的不斷增加，采用 GaN 器件可以提高電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的性能、節(jié)約成本和縮小尺寸。采用 TOLL 封裝的 GaN 器件非常適合應(yīng)用于太陽(yáng)能中，該類應(yīng)用要求業(yè)界通用封裝具備高效性、緊湊性和熱性能。GaN 技術(shù)的快速發(fā)展有望徹底改變電源系統(tǒng)，利用其固有優(yōu)勢(shì)開(kāi)發(fā)出高效、強(qiáng)大且可靠的解決方案。