多年來，設計人員一直在描述氮化鎵 (GaN) 有助于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。工程師不僅在尋找設備或技術成熟度——還有其他重要因素需要考慮，包括供應鏈、標準化以及完全開發和測試的解決方案的可用性。

近年來，德州儀器 (TI) 等擁有強大制造業務的跨國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幾個關于 GaN 可靠性和測試的重要指南。最近，TI 展示了完整的 900V 5kW 雙向電網轉換器解決方案，該解決方案使用其 GaN FET 以及集成驅動器和保護。

這些發展是建立對 GaN 及其實現高密度設計能力的信心的重要步驟。讓我們深入探討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

并網轉換器出現在許多工業應用和終端設備中。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設施和負載之間的電力流動，以及能量存儲和發電源。由于兩個原因，它們的高效運行和物理尺寸非常重要。首先，任何低效都會直接影響運營成本以及設備的冷卻和熱管理。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) 設計的電源轉換器為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，通過提高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不斷增加，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 中所示的每個應用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 > 99% 的效率和更小的物理尺寸。

對流冷卻的需求：替代或傳統方法，例如風扇或液體冷卻，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雙向并網換流器的設計

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。鑒于低開關頻率，這些設計需要大的磁性元件。因此，開放式框架功率密度往往很短——通常約為 70 W/in3。

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，其開關能量降低了 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，西門子和德州儀器共同展示了首個采用 GaN 的 10 kW 支持云的電網鏈接。TI 最近展示了其對流冷卻 5 kW 平臺，如圖 2 所示。

圖 2：TI 的三相 5 kW 對流冷卻 470 毫米 x 162 毫米 x 51 毫米雙向電網轉換器，采用 GaN

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

表 1：比較電網轉換器中的功率器件

三相雙向多電平轉換器采用 TI 的 50-mΩ 600-V LMG3410R050 GaN FET 設計，具有集成驅動器和保護及其 C2000? 實時控制微控制器。

GaN 準備好了嗎？

與替代的基于 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 能夠將電網轉換器中的磁性及其相關成本降低 80%。

然而，在評估 GaN 對電網應用的準備情況時，不僅要考慮系統級成本節約，還要考慮其他因素，這一點至關重要。這些包括：

快速上市：為了克服高頻電路設計和布局的挑戰，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。這使工程師能夠以最少的重新設計工作來加速原型和驗證。

終生可靠性：TI GaN FET 的可靠性超過 3000 萬小時，能量轉換超過 3 GWh，預計在 10 年的使用壽命內達到 <1 次故障率 (FIT)。此外，這些設備可以承受極端的開關操作，包括浪涌和過壓條件。

制造：諸如 LMG3410R050 之類的 GaN 器件是使用標準硅襯底和工具在工廠制造的。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，再加上投資的快速貶值，確保了設備成本低于 SiC FET，并迅速低于硅價格。

概括

過去，電力工程師在設計電網轉換器時只能選擇有限的器件和拓撲。然而，隨著市場上以極具競爭力的價格供應各種 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 黃昊宇