【導讀】在綠色能源浪潮席卷全球的當下，太陽能系統正以勢不可擋的態勢蓬勃發展，成為能源轉型的關鍵力量。而在這一蓬勃發展的進程中，光伏逆變器宛如系統的“心臟”，其性能的優劣直接關乎著太陽能能否被高效地“馴服”與利用。因此，如何設計出性能卓越的光伏逆變器，以最大化地汲取太陽能的能量，成為了技術創新的核心焦點。
在綠色能源浪潮席卷全球的當下，太陽能系統正以勢不可擋的態勢蓬勃發展，成為能源轉型的關鍵力量。而在這一蓬勃發展的進程中，光伏逆變器宛如系統的“心臟”，其性能的優劣直接關乎著太陽能能否被高效地“馴服”與利用。因此，如何設計出性能卓越的光伏逆變器，以最大化地汲取太陽能的能量，成為了技術創新的核心焦點。
其中一項創新涉及使用氮化鎵 (GaN)。氮化鎵正在快速取代硅 (Si) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 系統。GaN 不僅能提高太陽能系統的性能，也能提升整個系統的效率，此外，在保證縮小系統尺寸的同時，還能降低熱損耗、易于安裝和降低成本。
比較 GaN、SiC 和 IGBT
GaN 憑借其每個裸片區更優的電阻（Rsp）、更低的輸入輸出電容（Ciss 和 Coss）以及零反向恢復電荷等特性，顯著提升了功率轉換系統的性能。這些特性對于在開關頻率升高的情況下降低導通損耗和開關損耗至關重要，而這反過來又會減小無源元件的體積，使系統更輕便和更緊湊。
研究人員正在積極致力于通過改進制造、Rsp 和封裝，最大限度地發揮 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。
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，因而開關速度更快（減少開關損耗）、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%。經過優化的 GaN 工藝使 GaN 場效應晶體管 (FET) 具有極低的漏源導通電阻 (RDS (on))，適用于高功率應用。TOLL 封裝的尺寸緊湊，可實現更快的熱損耗并提高熱效率。
將 GaN FET 與驅動器集成在一起，可進一步提高效率和降低成本，有助于減少柵極電感環路數量，并在功率級中嵌入過流和過熱保護功能。通過集成可以更好地利用 TOLL 封裝的優勢，從而進一步降低寄生效應和系統成本。TI 的 LMG3650 等器件結合了集成和高效散熱封裝的優勢，可用于高壓電源轉換系統。在高壓電源轉換系統中，熱性能是主要考慮因素，尤其在有源冷卻面臨挑戰的情況下更應如此。
TOLL 在能源基礎設施方面的應用
鑒于商業和住宅環境的需求，太陽能微型逆變器、串式逆變器和儲能系統都具有對效率、尺寸和成本敏感的功率轉換級。
在太陽能應用中，逆變器輸出通常與交流電網相連接，FET 的額定電壓需達到 650V。此外，這些逆變器應盡可能緊湊，以便靈活地應用于住宅或商業系統。高壓 GaN FET 的額定絕對最大電壓為 800V，并能增加開關頻率，縮小無源器件的尺寸，從而滿足高電壓和尺寸兩項系統要求。TOLL 封裝具有高效散熱特性，適用于系統環境溫度高于室溫且有效熱損耗至關重要的太陽能應用中。
LMG3650 中的集成式功率級提供過熱保護、過流保護和欠壓鎖定等保護功能，無需外部保護電路，從而降低設計復雜性和縮小尺寸。它具有零電壓檢測和過零檢測等高級功能，可優化死區時間并降低損耗，還配有 5V 低壓降穩壓器，為驅動任何輔助電路輸出電流源。這些特性有助于優化能量轉換系統的性能和成本。
基于 GaN 的 600W 單相循環換流器參考設計具有循環換流器拓撲，在高壓側使用 LMG3650，在低壓側使用 LMG2100。該參考設計展示了集成式 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 600kHz 的開關頻率下運行。
使用 TOLL 器件進行設計
為您的設計選擇合適的 GaN 器件是通過降低開關和傳導損耗來提高系統性能的必要條件。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，因為它需要較大的 GaN 芯片，這會增加輸出電容，進而增加開關損耗和成本。
在硬開關拓撲中，具備較高 Coss 的低 RDS (on) 會致使開關損耗大于導通損耗，而在軟開關拓撲中，低 RDS (on) 能提高效率并且使開關和導通損耗非常低。
設計人員需要關注的另一點是多源功能。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
結語
總而言之，將TOLL封裝的GaN器件引入太陽能系統，標志著光伏電力電子技術進入了一個嶄新的階段。TOLL封裝在業界標準外形下，完美融合了GaN固有的性能優勢與出色的熱管理和功率密度，為工程師提供了兼具高效、可靠與易于生產的理想解決方案。隨著GaN技術的持續成熟與成本優化，它有望徹底重塑從微型逆變器到大型儲能變流器的整個光儲產業鏈，為實現更高效、更智能、更具經濟性的全球清潔能源網絡奠定堅實的硬件基礎。
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