【導(dǎo)讀】在綠色能源浪潮席卷全球的當(dāng)下，太陽能系統(tǒng)正以勢不可擋的態(tài)勢蓬勃發(fā)展，成為能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵力量。而在這一蓬勃發(fā)展的進程中，光伏逆變器宛如系統(tǒng)的“心臟”，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)乎著太陽能能否被高效地“馴服”與利用。因此，如何設(shè)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(shù)創(chuàng)新的核心焦點。
在綠色能源浪潮席卷全球的當(dāng)下，太陽能系統(tǒng)正以勢不可擋的態(tài)勢蓬勃發(fā)展，成為能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵力量。而在這一蓬勃發(fā)展的進程中，光伏逆變器宛如系統(tǒng)的“心臟”，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)乎著太陽能能否被高效地“馴服”與利用。因此，如何設(shè)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(shù)創(chuàng)新的核心焦點。
其中一項創(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 不僅能提高太陽能系統(tǒng)的性能，也能提升整個系統(tǒng)的效率，此外，在保證縮小系統(tǒng)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(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。這些特性對于在開關(guān)頻率升高的情況下降低導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗至關(guān)重要，而這反過來又會減小無源元件的體積，使系統(tǒng)更輕便和更緊湊。
研究人員正在積極致力于通過改進制造、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功能。通過集成可以更好地利用 TOLL 封裝的優(yōu)勢，從而進一步降低寄生效應(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、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(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)換流器拓撲，在高壓側(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 600kHz 的開關(guān)頻率下運行。
使用 TOLL 器件進行設(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，因為它需要較大的 GaN 芯片，這會增加輸出電容，進而增加開關(guān)損耗和成本。
在硬開關(guān)拓撲中，具備較高 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)拓撲中，低 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(jié)語
總而言之，將TOLL封裝的GaN器件引入太陽能系統(tǒng)，標(biāo)志著光伏電力電子技術(shù)進入了一個嶄新的階段。TOLL封裝在業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)外形下，完美融合了GaN固有的性能優(yōu)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(chǎn)的理想解決方案。隨著GaN技術(shù)的持續(xù)成熟與成本優(yōu)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(chǎn)業(yè)鏈，為實現(xiàn)更高效、更智能、更具經(jīng)濟性的全球清潔能源網(wǎng)絡(luò)奠定堅實的硬件基礎(chǔ)。
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