它的到來，顯然已經預料到了，它受到了人們的熱情歡迎。進一步的見解表明，多年來，設計人員已經描述了氮化鎵 （GaN） 可以幫助在電網應用中實現前所未有的功率密度、系統可靠性和成本水平的未來。工程師不只是在尋找設備或技術的成熟度——還有其他重要因素需要考慮，包括供應鏈、標準化、完全開發和測試解決方案的可用性。

近年來，德州儀器 （TI） 等擁有強大制造足跡的全球公司已將一整套具有成本效益的 GaN 場效應晶體管 （FET） 產品組合推向市場。聯合電子器件工程委員會 （JEDEC） 的 JC-70 標準化工作已經產生了有關 GaN 可靠性和測試的指南。最近，TI 展示了一個完整的 900-V 5-kW 雙向電網轉換器解決方案，該解決方案使用具有集成驅動器和保護功能的 GaN FET。

這些發展是建立對 GaN 及其實現高密度設計能力的信心的步驟。讓我們深入挖掘并討論電網電力的未來如何在今天已經到來。

為什么電網轉換器很重要

并網轉換器用于許多工業應用和終端設備。如圖 1 所示，這些應用包括光伏和太陽能逆變器、電動汽車充電基礎設施、儲能以及工業和電信電源。這些轉換器處理三相電力公司和負載之間的電力流動，以及能量存儲和發電資源。重要的是它們的有效操作和物理尺寸。首先，任何低效都會直接影響運營成本以及裝置的冷卻和熱管理。其次，隨著這些轉換器變得越來越主流，它們的物理尺寸和外形尺寸在購買決策中發揮著重要作用。

幾十年來，采用絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 和硅金屬氧化物半導體 FET （MOSFET） 設計的功率轉換器為該行業提供了良好的服務。這些轉換器已達到性能平臺也就不足為奇了。幾年前，第一代碳化硅 （SiC） FET 進入市場，并通過提高其效率和功率密度為傳統轉換器提供了急需的推動力。然而，隨著在降低成本的同時進一步提高功率密度水平的需求持續存在，GaN 已成為這兩種技術的可行替代方案。圖 1 顯示了并網轉換器的一些示例應用。

圖 1. 并網轉換器示例。

盡管圖 1 所示每個應用中的功率水平和設計實現不同，但這些市場具有三個共同的關鍵要求：

高效率和功率密度：為了減少占地面積和能源成本，這些應用的目標是效率 》 99% 和更小的物理尺寸。

對流冷卻的需求：風扇或液體冷卻等替代或傳統方法會增加安裝和維護成本。

降低制造成本：設計人員需要更小的表面貼裝有源和無源元件來簡化生產并降低制造成本。

GaN雙向電網變流器的設計

傳統轉換器在標準三相半橋拓撲中使用高壓 IGBT，開關頻率為 20 kHz 或更低。鑒于開關頻率較低，這些設計需要較大的磁性元件。因此，開放框架功率密度往往較低——通常約為 70 W/in 3。

相比之下，基于 GaN 的多電平轉換器在電網應用中具有獨特的優勢，包括：

卓越的開關品質因數 （FOM）：與 SiC FET 相比，GaN 的開關能量降低了 50%，與硅 MOSFET 相比降低了 97%。GaN 的卓越 FOM 直接實現了更高的開關頻率，從而顯著減小了整個系統的無源器件和散熱器的尺寸。

降低系統成本：這包括通過使用表面貼裝器件降低的制造成本，以及顯著減少的電磁干擾組件、磁性過濾器尺寸和系統冷卻。

設計實例

2018 年，西門子和德州儀器聯合展示了第一個 10 kW 的基于云的 GaN 電網鏈路。TI 最近展示了其對流冷卻的 5kW 平臺，如圖 2 所示。

圖 2. TI 采用 GaN 的三相 5kW 對流冷卻 470mm×162mm×51mm 雙向電網轉換器。（點擊圖片查看大圖。）

TI 展示了基于 GaN 的多電平轉換器如何在效率、功率密度和解決方案成本方面不僅超越傳統 IGBT，而且超越 SiC FET。GaN 卓越的開關性能使設計人員能夠提高開關頻率，同時最大限度地降低系統的整體損耗。表 1 比較了三種電源技術。

表 1. 比較電網變流器中的功率設備。

這款三相雙向多電平轉換器采用 TI 的具有集成驅動器和保護功能的 50mΩ 600V LMG3410R050 GaN FET 及其 C2000 實時控制微控制器設計。

GaN 準備好了嗎？

與其他基于 SiC 的拓撲相比，GaN 不僅使設計人員能夠實現更高水平的效率和功率密度，而且還提供最低的解決方案成本。電感器成本是決定拓撲結構的主要因素之一。由于其更高的開關頻率和更小的電壓階躍，GaN 能夠將磁性元件及其在電網轉換器中的相關成本降低 80%。

然而，在評估 GaN 用于電網應用的準備情況時，重要的是要超越系統級成本節約并考慮其他因素。這些包括：

快速上市： TI 在其 GaN FET 的單個低電感封裝中集成了柵極驅動器和高速保護。這使工程師能夠克服高頻電路設計和布局的挑戰，以最少的重新設計工作加速原型和驗證。

使用壽命可靠性： TI GaN FET 已通過超過 3000 萬小時的可靠性測試和 》3 GWh 的能量轉換，預計在 10 年的使用壽命內小于 1 時間故障 （FIT）。此外，這些器件旨在承受極端的開關操作，包括浪涌和過壓條件。

制造： LMG3410R050 等 GaN 器件是使用標準硅襯底和工具制造的。TI 還利用其現有的大批量封裝和測試能力來支持生產。這些因素，再加上快速的投資折舊，確保了器件的成本低于 SiC FET，并且迅速趨向低于硅價格的趨勢。

過去，電力工程師在設計電網轉換器時的設備和拓撲選擇有限。然而，隨著市場上以極具競爭力的價格廣泛供應 GaN 器件，出現了新的可行選擇。基于 GaN 的轉換器使解決方案的功率密度比 IGBT 高 300%，比 SiC 器件高 125%。

此外，TI GaN 器件經過了超過 3000 萬小時的器件可靠性測試和超過 3 GWh 的功率轉換，讓設計人員完全有信心在最嚴苛和最苛刻的電網應用中使用 GaN。

審核編輯：郭婷