氮化镓，并网转换器vista

多年来，设计人员一直在描述氮化镓 (GaN) 有助于在电网应用中实现前所未有的功率密度、系统可靠性和成本水平的未来。工程师不仅在寻找设备或技术成熟度——还有其他重要因素需要考虑，包括供应链、标准化以及完全开发和测试的解决方案的可用性。

近年来，德州仪器 (TI) 等拥有强大制造业务的跨国公司已将一整套具有成本效益的 GaN 场效应晶体管 (FET) 产品组合推向市场。联合电子器件工程委员会 (JEDEC) 的 JC-70 标准化工作已经产生了几个关于 GaN 可靠性和测试的重要指南。最近，TI 展示了完整的 900V 5kW 双向电网转换器解决方案，该解决方案使用其 GaN FET 以及集成驱动器和保护。

这些发展是建立对 GaN 及其实现高密度设计能力的信心的重要步骤。让我们深入探讨并讨论电网电力的未来如何在今天已经到来。

为什么电网转换器很重要

并网转换器出现在许多工业应用和终端设备中。如图 1 所示，这些应用包括光伏和太阳能逆变器、电动汽车充电基础设施、储能以及工业和电信电源。这些转换器处理三相电力设施和负载之间的电力流动，以及能量存储和发电源。由于两个原因，它们的高效运行和物理尺寸非常重要。首先，任何低效都会直接影响运营成本以及设备的冷却和热管理。其次，随着这些转换器变得越来越主流，它们的物理尺寸和外形在购买决策中发挥着重要作用。

几十年来，采用绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 和硅金属氧化物半导体 FET (MOSFET) 设计的电源转换器为行业提供了良好的服务。这些转换器已达到性能平台也就不足为奇了。几年前，第一代碳化硅 (SiC) FET 进入市场，通过提高效率和功率密度为传统转换器提供了急需的推动力。然而，随着在降低成本的同时进一步提高功率密度水平的需求不断增加，GaN 已成为这两种技术的可行替代方案。图 1 显示了并网转换器的一些示例应用。

图 1：并网转换器示例

尽管图 1 中所示的每个应用的功率水平和设计实现不同，但这些市场具有三个共同的关键要求：

高效率和功率密度：为了减少占地面积和能源成本，这些应用的目标是 > 99% 的效率和更小的物理尺寸。

对流冷却的需求：替代或传统方法，例如风扇或液体冷却，会增加安装和维护成本。

降低制造成本：设计人员需要更小的表面贴装有源和无源元件来简化生产并降低制造成本。

GaN双向并网换流器的设计

传统转换器在标准三相半桥拓扑中使用高压 IGBT，开关频率为 20 kHz 或更低。鉴于低开关频率，这些设计需要大的磁性元件。因此，开放式框架功率密度往往很短——通常约为 70 W/in3。

相比之下，基于 GaN 的多电平转换器在电网应用中具有独特的优势，包括：

卓越的开关品质因数 (FOM)：与 SiC FET 相比，GaN 的开关能量降低了 50%，与硅 MOSFET 相比，其开关能量降低了 97%。GaN 的卓越 FOM 直接实现了更高的开关频率，从而显着减小了整个系统的无源器件和散热器的尺寸。

降低系统成本：这包括通过使用表面贴装器件降低的制造成本，以及显着减少的电磁干扰组件、磁性过滤器尺寸和系统冷却。

设计实例

2018 年，西门子和德州仪器共同展示了首个采用 GaN 的 10 kW 支持云的电网链接。TI 最近展示了其对流冷却 5 kW 平台，如图 2 所示。

图 2：TI 的三相 5 kW 对流冷却 470 毫米 x 162 毫米 x 51 毫米双向电网转换器，采用 GaN

TI 展示了基于 GaN 的多电平转换器如何不仅知道如何在效率、功率密度和解决方案成本方面超越传统 IGBT，而且还超越 SiC FET。GaN 卓越的开关性能使设计人员能够提高开关频率，同时最大限度地减少系统的整体损耗。表 1 比较了三种电源技术。

典型操作条件	IGBT	碳化硅	氮化镓
频率 (kHz)	20	100	140
开架功率密度 (W/in 3 )	73	170	211
效率 （％）	98.3	98.9	99.2

表 1：比较电网转换器中的功率器件

三相双向多电平转换器采用 TI 的 50-mΩ 600-V LMG3410R050 GaN FET 设计，具有集成驱动器和保护及其 C2000™ 实时控制微控制器。

GaN 准备好了吗？

与替代的基于 SiC 的拓扑相比，GaN 不仅使设计人员能够实现更高水平的效率和功率密度，而且还提供最低的解决方案成本。电感成本是决定拓扑结构的主要因素之一。由于其更高的开关频率和更小的电压阶跃，GaN 能够将电网转换器中的磁性及其相关成本降低 80%。

然而，在评估 GaN 对电网应用的准备情况时，不仅要考虑系统级成本节约，还要考虑其他因素，这一点至关重要。这些包括：

快速上市：为了克服高频电路设计和布局的挑战，TI 在其 GaN FET 的单个低电感封装中集成了栅极驱动器和高速保护。这使工程师能够以最少的重新设计工作来加速原型和验证。

终生可靠性：TI GaN FET 的可靠性超过 3000 万小时，能量转换超过 3 GWh，预计在 10 年的使用寿命内达到 <1 次故障率 (FIT)。此外，这些设备可以承受极端的开关操作，包括浪涌和过压条件。

制造：诸如 LMG3410R050 之类的 GaN 器件是使用标准硅衬底和工具在工厂制造的。TI 还利用其现有的大批量封装和测试能力来支持生产。这些因素，再加上投资的快速贬值，确保了设备成本低于 SiC FET，并迅速低于硅价格。

概括

过去，电力工程师在设计电网转换器时只能选择有限的器件和拓扑。然而，随着市场上以极具竞争力的价格供应各种 GaN 器件，出现了新的可行选择。基于 GaN 的转换器使解决方案的功率密度比 IGBT 高 300%，比 SiC 器件高 125%。

此外，TI GaN 器件经过超过 3000 万小时的器件可靠性测试和超过 3 GWh 的功率转换，让设计人员完全有信心在最严苛和最苛刻的电网应用中使用 GaN。

审核编辑 黄昊宇