氮化镓技术驱动的高效逆变器设计：硅与GaN器件的比较分析

通过重新设计基于氮化镓(GaN)场效应晶体管(FET)的IGBT和MOSFET解决方案，DRS优化的车辆逆变器性能使开关频率提高了四倍，减少了体积和重量，同时实现了98.5%的效率。

在DRS，我们设定了一个目标，即设计出改进版的2kVI车辆逆变器。在开发过程中，我们比较了基于硅的IGBT和MOSFET解决方案与最近出现的常关型E-HEMT GaN器件的性能。本文描述了GaN器件如何使我们能够改变设计思路，从而将开关频率提高到四倍，并带来显著减小电感器体积的优势。我们还能够在较宽的工作范围内实现98.5%的效率，从而减少整体冷却系统的需求。最终，在相同成本下，我们能够提供一个显著更小、更轻的单元，并实现前所未有的高效能。

双降压和全桥逆变器拓扑

考虑了两种常见的逆变器拓扑：双降压和全桥。图1展示了使用基于硅的MOSFET和SiC二极管的双降压逆变器拓扑，而图2展示了带有GaN器件的标准全桥逆变器。

图1

图2

传统的单相逆变器通常会使用全桥逆变器拓扑。在使用这种拓扑的传统逆变器中，可以使用带有快速并联二极管的IGBT或硅MOSFET作为开关器件。由于其低成本和能够最小化MOSFET所遇到的二极管恢复电流，IGBT解决方案在许多应用中很受欢迎。然而，IGBT在高频下无法高效运行，也无法在极低导通损耗条件下工作，因为它们是结型器件，在导通时始终会表现出正向电压降(或偏移)。

这限制了可以获得的最小损耗。然而，如果采用硅MOSFET，则正向电压降可以被一个可通过并联更多器件逐步降低的电阻元素所替代。但在这种拓扑中，MOSFET的致命弱点是存在体二极管和相关的反向恢复电流，以及在器件强开关时强制换向相关导通体二极管所产生的损耗。总之，传统拓扑仅使用硅技术，其最大可达频率和效率受到限制。

在我们开始开发耐用的2kVI车辆逆变器时，识别出的最关键设计要求是效率。我们知道，为了开发出能够在艰苦车辆应用中可靠运行的产品，它需要完全密封，并能够在高温下无需显著气流地工作。我们也不希望产品采用液冷，因为这将限制最终用户部署产品的能力。这些设计限制要求产品具备尽可能高的效率。

在考虑这些限制以及当时晶体管技术的状态时，我们选择了双降压逆变器拓扑，采用硅MOSFET和SiC二极管作为开关元件。这种拓扑的功能与传统全桥拓扑相同，但有效隔离了MOSFET体二极管，从而消除了限制效率的反向恢复损耗。我们在这个应用中选择MOSFET而非IGBT，以便并联MOSFET，从而降低开关电阻并减少器件中的损耗。该拓扑提供了非常好的性能，并在较宽的工作范围内通常实现超过98.5%的效率。然而，这种高端效率的表现并不是没有代价。正如两个简化的原理图所示，双降压拓扑明显更复杂，需要更多的电力组件，占用更多空间，成本也高于传统解决方案。

尽管实现了超高的逆变器效率，我们在产品开发过程中遇到了一次重新评估开发计划的机会，以对比近期的技术趋势和产品发布。那时，显然GaN器件是真正的解决方案。它们可靠且可用于本产品的开发。

因此，我们改变了开发计划，使用最新的GaN器件与传统的全桥拓扑。由于GaN器件不是结型器件，它们表现出与硅MOSFET相同的电阻特性，但额外的好处是排除了体二极管，从而在这种拓扑中实现高效率。通过使用GaN Systems的GS66508P器件，我们能够以更少的复杂性和组件实现相同的超高效率条件，从而在更小的印刷电路板区域内打包电源阶段。

IGBT与MOSFET与GaN：设计比较

以下是三种类型逆变器解决方案设计的比较总结：

1.基于硅IGBT或硅MOSFET的全桥逆变器

2.使用硅MOSFET和SiC二极管的双降压逆变器

3.使用GaN器件的全桥逆变器

设计1：IGBT或MOSFET全桥

这种逆变器解决方案可以以具有成本效益的方式实现，并且所需组件数量最少。然而，无法使用该解决方案达到目标效率。需要使用更大的热管理方案来散发额外的热量。

设计2：MOSFET双降压

达到了效率目标，因此可以使用更小的热管理方案。然而，为了实现这种拓扑并将其推向超高效率范围，需要更多的组件。在我们最初的实现中，每个开关使用了两个并联的MOSFET，每个二极管使用了两个并联的SiC二极管。这意味着需要总共16个半导体，此外，输出电感器需要采用耦合电感设计，这比在全桥变体中使用的等效单匝电感更复杂且更大。额外并联的MOSFET还需要在门驱动中增加额外的电路，以使这些器件能够在并联中最佳工作。

设计3：GaN全桥

图3中展示的GaN技术使该拓扑能够以较少的部件数量实现超高效率。在我们最新的实现中，每个开关只需要一个GaN器件，并且无需二极管即可实现目标性能。因此，只需要四个半导体和两个更简单的电感器。此外，GaN器件的开关速度远快于硅器件，从而将开关频率提高四倍，同时保持双降压逆变器的超高效率性能。在更高的频率下，我们可以将输出电感器和滤波电容的成本和体积降低一半，同时将容纳半导体所需的面积降低四分之一。

图3

即使考虑到GaN器件相对于硅器件的额外成本，以及GaN器件已经显示出的价格走低趋势，实现超高效率逆变器的成本实际上与基于Si/SIC的双降压逆变器相比，并没有更高。

总结评论

在开发DRS 2kVI耐用型车辆逆变器的过程中，我们比较了传统基于硅的IGBT和MOSFET解决方案与GaN Systems的GaN E-HEMT晶体管。正如表1所总结的，GaN E-HEMT晶体管明显展现出优越的性能，同时在尺寸、效率和成本方面提供了额外的优势。

表1

除了耐用型车辆逆变器，其他产品也将受益于GaN器件的使用。任何需要双极开关操作的应用，涉及反向导通二极管的情况，都可以通过应用GaN技术获得良好效果。特别是对于任何需要双向功率流的高功率、绝缘电力转换阶段，这些应用可以利用GaN晶体管，从而减少变压器以及输入和输出滤波级的体积和重量，并消除反向导通二极管。