多年來，設(shè)計人員一直在描述氮化鎵 (GaN) 有助于在電網(wǎng)應(yīng)用中實現(xiàn)前所未有的功率密度、系統(tǒng)可靠性和成本水平的未來。工程師不僅在尋找設(shè)備或技術(shù)成熟度——還有其他重要因素需要考慮，包括供應(yīng)鏈、標(biāo)準(zhǔn)化以及完全開發(fā)和測試的解決方案的可用性。

近年來，德州儀器 (TI) 等擁有強(qiáng)大制造業(yè)務(wù)的跨國公司已將一整套具有成本效益的 GaN 場效應(yīng)晶體管 (FET) 產(chǎn)品組合推向市場。聯(lián)合電子器件工程委員會 (JEDEC) 的 JC-70 標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)產(chǎn)生了幾個關(guān)于 GaN 可靠性和測試的重要指南。最近，TI 展示了完整的 900V 5kW 雙向電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器解決方案，該解決方案使用其 GaN FET 以及集成驅(qū)動器和保護(hù)。

這些發(fā)展是建立對 GaN 及其實現(xiàn)高密度設(shè)計能力的信心的重要步驟。讓我們深入探討并討論電網(wǎng)電力的未來如何在今天已經(jīng)到來。

為什么電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器很重要

并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)在許多工業(yè)應(yīng)用和終端設(shè)備中。如圖 1 所示，這些應(yīng)用包括光伏和太陽能逆變器、電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施、儲能以及工業(yè)和電信電源。這些轉(zhuǎn)換器處理三相電力設(shè)施和負(fù)載之間的電力流動，以及能量存儲和發(fā)電源。由于兩個原因，它們的高效運行和物理尺寸非常重要。首先，任何低效都會直接影響運營成本以及設(shè)備的冷卻和熱管理。其次，隨著這些轉(zhuǎn)換器變得越來越主流，它們的物理尺寸和外形在購買決策中發(fā)揮著重要作用。

幾十年來，采用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 和硅金屬氧化物半導(dǎo)體 FET (MOSFET) 設(shè)計的電源轉(zhuǎn)換器為行業(yè)提供了良好的服務(wù)。這些轉(zhuǎn)換器已達(dá)到性能平臺也就不足為奇了。幾年前，第一代碳化硅 (SiC) FET 進(jìn)入市場，通過提高效率和功率密度為傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器提供了急需的推動力。然而，隨著在降低成本的同時進(jìn)一步提高功率密度水平的需求不斷增加，GaN 已成為這兩種技術(shù)的可行替代方案。圖 1 顯示了并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的一些示例應(yīng)用。

圖 1：并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器示例

盡管圖 1 中所示的每個應(yīng)用的功率水平和設(shè)計實現(xiàn)不同，但這些市場具有三個共同的關(guān)鍵要求：

高效率和功率密度：為了減少占地面積和能源成本，這些應(yīng)用的目標(biāo)是 > 99% 的效率和更小的物理尺寸。

對流冷卻的需求：替代或傳統(tǒng)方法，例如風(fēng)扇或液體冷卻，會增加安裝和維護(hù)成本。

降低制造成本：設(shè)計人員需要更小的表面貼裝有源和無源元件來簡化生產(chǎn)并降低制造成本。

GaN雙向并網(wǎng)換流器的設(shè)計

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器在標(biāo)準(zhǔn)三相半橋拓?fù)渲惺褂?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/873/" target="_blank">高壓 IGBT，開關(guān)頻率為 20 kHz 或更低。鑒于低開關(guān)頻率，這些設(shè)計需要大的磁性元件。因此，開放式框架功率密度往往很短——通常約為 70 W/in3。

相比之下，基于 GaN 的多電平轉(zhuǎn)換器在電網(wǎng)應(yīng)用中具有獨特的優(yōu)勢，包括：

卓越的開關(guān)品質(zhì)因數(shù) (FOM)：與 SiC FET 相比，GaN 的開關(guān)能量降低了 50%，與硅 MOSFET 相比，其開關(guān)能量降低了 97%。GaN 的卓越 FOM 直接實現(xiàn)了更高的開關(guān)頻率，從而顯著減小了整個系統(tǒng)的無源器件和散熱器的尺寸。

降低系統(tǒng)成本：這包括通過使用表面貼裝器件降低的制造成本，以及顯著減少的電磁干擾組件、磁性過濾器尺寸和系統(tǒng)冷卻。

設(shè)計實例

2018 年，西門子和德州儀器共同展示了首個采用 GaN 的 10 kW 支持云的電網(wǎng)鏈接。TI 最近展示了其對流冷卻 5 kW 平臺，如圖 2 所示。

圖 2：TI 的三相 5 kW 對流冷卻 470 毫米 x 162 毫米 x 51 毫米雙向電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器，采用 GaN

TI 展示了基于 GaN 的多電平轉(zhuǎn)換器如何不僅知道如何在效率、功率密度和解決方案成本方面超越傳統(tǒng) IGBT，而且還超越 SiC FET。GaN 卓越的開關(guān)性能使設(shè)計人員能夠提高開關(guān)頻率，同時最大限度地減少系統(tǒng)的整體損耗。表 1 比較了三種電源技術(shù)。

表 1：比較電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器中的功率器件

三相雙向多電平轉(zhuǎn)換器采用 TI 的 50-mΩ 600-V LMG3410R050 GaN FET 設(shè)計，具有集成驅(qū)動器和保護(hù)及其 C2000? 實時控制微控制器。

GaN 準(zhǔn)備好了嗎？

與替代的基于 SiC 的拓?fù)湎啾?，GaN 不僅使設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)更高水平的效率和功率密度，而且還提供最低的解決方案成本。電感成本是決定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要因素之一。由于其更高的開關(guān)頻率和更小的電壓階躍，GaN 能夠?qū)㈦娋W(wǎng)轉(zhuǎn)換器中的磁性及其相關(guān)成本降低 80%。

然而，在評估 GaN 對電網(wǎng)應(yīng)用的準(zhǔn)備情況時，不僅要考慮系統(tǒng)級成本節(jié)約，還要考慮其他因素，這一點至關(guān)重要。這些包括：

快速上市：為了克服高頻電路設(shè)計和布局的挑戰(zhàn)，TI 在其 GaN FET 的單個低電感封裝中集成了柵極驅(qū)動器和高速保護(hù)。這使工程師能夠以最少的重新設(shè)計工作來加速原型和驗證。

終生可靠性：TI GaN FET 的可靠性超過 3000 萬小時，能量轉(zhuǎn)換超過 3 GWh，預(yù)計在 10 年的使用壽命內(nèi)達(dá)到 <1 次故障率 (FIT)。此外，這些設(shè)備可以承受極端的開關(guān)操作，包括浪涌和過壓條件。

制造：諸如 LMG3410R050 之類的 GaN 器件是使用標(biāo)準(zhǔn)硅襯底和工具在工廠制造的。TI 還利用其現(xiàn)有的大批量封裝和測試能力來支持生產(chǎn)。這些因素，再加上投資的快速貶值，確保了設(shè)備成本低于 SiC FET，并迅速低于硅價格。

概括

過去，電力工程師在設(shè)計電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器時只能選擇有限的器件和拓?fù)?。然而，隨著市場上以極具競爭力的價格供應(yīng)各種 GaN 器件，出現(xiàn)了新的可行選擇?；?GaN 的轉(zhuǎn)換器使解決方案的功率密度比 IGBT 高 300%，比 SiC 器件高 125%。

此外，TI GaN 器件經(jīng)過超過 3000 萬小時的器件可靠性測試和超過 3 GWh 的功率轉(zhuǎn)換，讓設(shè)計人員完全有信心在最嚴(yán)苛和最苛刻的電網(wǎng)應(yīng)用中使用 GaN。

審核編輯 黃昊宇