GaN 半導體降低太陽能轉換和存儲的每瓦成本

據估計，化石燃料目前占全球發電總量的三分之二，而太陽能和風能僅占發電量的 7%。然而，要實現凈零碳排放的目標，就需要加速從化石燃料轉向可再生能源。提高可再生能源采用率的基礎是降低每瓦轉換成本、增加儲能容量和提高能源轉換效率。隨著傳統硅電源開關達到極限，氮化鎵（GaN）將在所有這些領域發揮越來越重要的作用。

太陽能和存儲

圖 1 中住宅太陽能系統的簡化圖像顯示了太陽能電池板、儲能系統（ESS）和整個家庭的單相交流電源分配。此類住宅系統的容量通常在 3 kW 至 10 kW 之間，目前約占太陽能發電市場總量的 25%，其中包括太陽能發電場和工業光伏（PV）逆變器。請注意，圖 1中所示的電動汽車進一步增加了備用電池/儲能容量，具有雙向車載充電功能。

圖 1：住宅太陽能發電系統

降低此類系統的每瓦成本需要：

將光伏電池板產生的直流電源轉換為交流電源的效率提高

用于存儲和釋放該能量的解決方案的功率密度和性能得到改善

在這兩種情況下，逆變器設計都是應對挑戰的關鍵。

在 PV 和 ESS 設計中，逆變器通過切換 DC 輸入，從面板或電池提供的可變 DC 電源產生穩定的 AC 電源。逆變器通?；?H 橋電源架構，關鍵組件是功率半導體、用于濾波的無源組件和用于平滑交流正弦波形的磁性元件。

直到最近，逆變器都使用基于硅技術的 MOSFET 和 IGBT 等功率半導體，但為了優化效率和增加功率密度，需要提高逆變器開關頻率。這反過來又要求功率開關實現低開關損耗——這是硅功率開關的主要問題。GaN 在高開關頻率下實現超低開關損耗，因此是系統效率和功率密度的絕佳選擇。使用 GaN 功率晶體管的可再生能源系統不會在轉換過程中不必要地浪費太陽能。

選擇氮化鎵

GaN 對太陽能設計很重要，因為與傳統硅相比，它能夠提供顯著改進的性能，同時減少實現該性能所需的能量和物理空間。

在器件級方面，根據實現的不同，從歸一化導通電阻（R DS（ on ））和柵極電荷（Q G ）的乘積得出的品質因數對于 GaN 來說可能比硅好 5 到 20 倍。通過使用更小的晶體管和更短的電流路徑，實現了超低電阻和電容，并且開關速度可以提高 100 倍。

除了確保更高的系統性能外，改進的開關速度還可以顯著減小無源和磁性組件的尺寸（并且在某些應用中可以取消）。使用 GaN 時，這種無源和磁性元件的減少進一步降低了系統成本。

選擇集成氮化鎵

在評估用于太陽能應用的 GaN 技術時，最重要的考慮因素之一是功率晶體管中內置的功能和保護，而不是需要添加多少電路與附加設備。目標是設計一個“理想開關”，結合 GaN 的優點并使器件易于實施。GaN 器件的保護是另一個級別的性能優勢。

“分立”GaN 功率晶體管，例如 GaN 增強型高電子遷移率晶體管（E-HEMT），通常執行單一功能，因此必須與多個其他電路組件一起實施以實現功能系統。雖然 GaN E-HEMT 是將 GaN 的開關性能引入電源系統的早期嘗試，但由于系統設計復雜且在高功率系統中性能不佳，它們未能實現主流采用。此外，GaN E-HEMT 分立器件沒有保護功能，并且極易受到靜電放電（ESD）的影響?？梢詫嵤┩獠侩娐穪肀Ｗo GaN E-HEMT 的柵極，但這會引入限速寄生和有損元素，降低 GaN 的潛在性能。

集成 GaN 電源 IC

另一方面，集成 GaN 電源 IC 將多種電力電子功能結合到單個 GaN 芯片上，并提供單個設備所需的最關鍵功能。因此，除了優化太陽能系統效率和功率容量外，集成 GaN 電源 IC 還降低了系統設計的復雜性、成本和尺寸（與 GaN E-HEMT 分立設計相比）。GaN 功率 IC 的保護特性和 ESD 穩健性進一步提升了其作為功率晶體管的首選地位。

最新的 GaN 功率 IC 單片集成了 GaN 功率 FET、柵極驅動和保護功能，以高速控制和保護 GaN 功率開關。

圖 2：集成 GaNFast 電源 IC

這些 GaNFast 器件由 Navitas 開發，基于橫向 650-V e-mode GaN-on-Si 技術，并使用該公司專有的 AllGaN 工藝設計套件進行開發。GaNFast IC 本質上是易于使用、高速、高性能、“數字輸入、電源輸出”的構建塊，需要最少的附加電路。除了簡化設計之外，集成還可以實現幾乎零關斷損耗，因為柵極驅動環路的阻抗基本上為零。同時，可以針對目標太陽能應用的特定要求來控制和定制開啟性能。GaNFast 產品組合適用于額定功率為 350 W 至 10 kW 的太陽能實施方案。

與大多數大功率轉換應用一樣，太陽能電池板和存儲逆變器應用的設計人員面臨的挑戰之一是有效的熱管理，這樣任何多余的熱量都不會影響性能或使用壽命?；?GaN 的解決方案的高效率有助于簡化這一挑戰，但這可能會被增加的功率密度所抵消，并且不一定完全消除它。為此，Navitas 創建了其 GaN 功率 IC 的熱增強版本。這些器件包含一個大型冷卻墊，支持頂部和底部冷卻，并在使用電流檢測電阻器時確保增強的熱性能。

最近，Navitas 發布了集成精密傳感的集成電源 IC，將提高太陽能應用的效率、自主性和可靠性，并進一步降低每瓦成本。當與集成驅動器相結合時，專有的片上 GaNSense 技術可對系統電流、電壓和溫度進行精確和可配置的傳感，使 GaN IC 不僅能夠檢測高風險條件，而且可以根據該信息采取行動，從而保護 IC和系統免受任何故障條件的影響。結果是一個非常堅固、保護良好且高度可靠的設備，無需外部監控組件，這些組件傳統上會導致損耗、設計復雜性和成本。

可靠性

在采用任何新技術時，客戶尋求長期可靠性保證是很自然的。Navitas 的質量方法基于六個基本要素：

通過定義具有設計質量和可靠性的產品來超越客戶的期望。

與客戶合作，共同開發質量優化的系統解決方案。

與主要供應商合作，共同開發確保質量和可靠性的流程。

開發針對新技術和目標應用進行優化的關鍵和專有測試技術。

以持續的風險識別和緩解為重點，進行持續而詳盡的資格認證、驗證和監控。

逐個客戶、逐個應用程序和逐個市場地展示基準可靠性。

質量至關重要。截至 2021 年 10 月，超過 3000 萬個 GaNFast 功率 IC 出貨時報告的 GaN 場故障為零。自 2015 年以來，該公司一直與主要的太陽能原始設備制造商合作，以展示特定應用的可靠性。其中一家公司 Enphase 是全球領先的基于微型逆變器的太陽能加儲能系統供應商，最近評論說 “這是硅的終點” ，并且“氮化鎵在重要系統中提供十倍的開關頻率優勢成本優勢［并且］因此針對 Enphase 微型逆變器應用進行了優化。”