【導(dǎo)讀】太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展持續(xù)攀升，而光伏逆變器的性能表現(xiàn)，正成為行業(yè)技術(shù)的核心。這類設(shè)備的核心設(shè)計目標(biāo)，盡可能利用太陽能資源。在眾多技術(shù)突破中，氮化鎵（GaN）材料的應(yīng)用堪稱關(guān)鍵創(chuàng)新。當(dāng)下，氮化鎵正加速替代傳統(tǒng)的硅（Si）基器件及絕緣柵雙極晶體管（IGBT）系統(tǒng)，成為光伏逆變器領(lǐng)域的新一代核心元件。
比較 GaN、SiC 和 IGBT
GaN 憑借其每個裸片區(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。這些關(guān)鍵屬性，對于開關(guān)頻率提升場景下的導(dǎo)通損耗與開關(guān)損耗控制至關(guān)重要；而損耗的降低又會進(jìn)一步縮減無源元件的體積，助力功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輕量化與小型化的設(shè)計目標(biāo)。
為充分釋放 GaN 的技術(shù)潛力，科研人員正圍繞制造工藝優(yōu)化、Rsp 性能提升及封裝技術(shù)升級等方向展開深入攻關(guān)。以封裝方案為例，如表 1 所示，相較于傳統(tǒng)的雙 decawatt 封裝（D2PAK）、晶體管封裝輪廓（TO）-247 等表面貼裝封裝，** 晶體管無引線封裝（TOLL）** 在熱傳導(dǎo)性能和寄生效應(yīng)抑制方面表現(xiàn)更為突出，可有效保障 GaN 器件在高負(fù)荷工況下的穩(wěn)定性與能效水平。
表 1 TO-247、D2PAK、TOLL 封裝中的 GaN 器件熱阻值
TOLL 封裝簡介
作為無引線封裝，TOLL 封裝的寄生電感非常低，因而開關(guān)速度更快（減少開關(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，印刷電路板上可利用的面積會增加 70%。經(jīng)過優(yōu)化的 GaN 工藝使 GaN 場效應(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，并在功率級中嵌入過流和過熱保護(hù)功能。通過集成可以更好地利用 TOLL 封裝的優(yōu)勢，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，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，太陽能微型逆變器、串式逆變器和儲能系統(tǒng)都具有對效率、尺寸和成本敏感的功率轉(zhuǎn)換級。
在太陽能應(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 的額定絕對最大電壓為 800V，并能增加開關(guān)頻率，縮小無源器件的尺寸，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)重要的太陽能應(yīng)用中。
LMG3650 中的集成式功率級提供過熱保護(hù)、過流保護(hù)和欠壓鎖定等保護(hù)功能，無需外部保護(hù)電路，從而降低設(shè)計復(fù)雜性和縮小尺寸。它具有零電壓檢測和過零檢測等高級功能，可優(yōu)化死區(qū)時間并降低損耗，還配有 5V 低壓降穩(wěn)壓器，為驅(qū)動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 單相循環(huán)換流器參考設(shè)計具有循環(huán)換流器拓?fù)洌诟邏簜?cè)使用 LMG3650，在低壓側(cè)使用 LMG2100。該參考設(shè)計展示了集成式 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 的開關(guān)頻率下運(yùn)行。
使用 TOLL 器件進(jìn)行設(shè)計
為您的設(shè)計選擇合適的 GaN 器件是通過降低開關(guān)和傳導(dǎo)損耗來提高系統(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，這會增加輸出電容，進(jìn)而增加開關(guān)損耗和成本。
在硬開關(guān)拓?fù)渲校邆漭^高 Coss 的低 RDS (on) 會致使開關(guān)損耗大于導(dǎo)通損耗，而在軟開關(guān)拓?fù)渲校?RDS (on) 能提高效率并且使開關(guān)和導(dǎo)通損耗非常低。
設(shè)計人員需要關(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選擇。如圖 1 所示，您可以通過保持原理圖和布局不變，僅對元件進(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。
TI 和分立式 TOLL GaN 封裝的原理圖
TOLL 封裝憑借低寄生電感、緊湊尺寸與高效散熱的核心優(yōu)勢，成為 GaN FET 的關(guān)鍵載體，對比傳統(tǒng)封裝減少了封裝空間與損耗，儲能系統(tǒng)等能源基礎(chǔ)設(shè)施的嚴(yán)苛需求。TI LMG3650 等集成化器件，將 GaN 功率級與驅(qū)動、保護(hù)功能深度整合，既降低了設(shè)計復(fù)雜度與系統(tǒng)成本，又進(jìn)一步釋放了 TOLL 封裝的技術(shù)潛力。而 600W 單相循環(huán)換流器參考設(shè)計的優(yōu)異表現(xiàn)，更印證了集成式 TOLL GaN 方案在功率密度與能效上的突出價值。設(shè)計中需結(jié)合拓?fù)漕愋推胶馄骷?shù)，且其兼容封裝的多源特性，也為規(guī)模化應(yīng)用提供了靈活支撐，為高壓電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的技術(shù)升級筑牢了根基。
