電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器采用氮化鎵

它的到來，顯然已經(jīng)預(yù)料到了，它受到了人們的熱情歡迎。進(jìn)一步的見解表明，多年來，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)描述了氮化鎵 （GaN） 可以幫助在電網(wǎng)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)前所未有的功率密度、系統(tǒng)可靠性和成本水平的未來。工程師不只是在尋找設(shè)備或技術(shù)的成熟度——還有其他重要因素需要考慮，包括供應(yīng)鏈、標(biāo)準(zhǔn)化、完全開發(fā)和測(cè)試解決方案的可用性。

近年來，德州儀器 （TI） 等擁有強(qiáng)大制造足跡的全球公司已將一整套具有成本效益的 GaN 場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （FET） 產(chǎn)品組合推向市場(chǎng)。聯(lián)合電子器件工程委員會(huì) （JEDEC） 的 JC-70 標(biāo)準(zhǔn)化工作已經(jīng)產(chǎn)生了有關(guān) GaN 可靠性和測(cè)試的指南。最近，TI 展示了一個(gè)完整的 900-V 5-kW 雙向電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器解決方案，該解決方案使用具有集成驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能的 GaN FET。

這些發(fā)展是建立對(duì) GaN 及其實(shí)現(xiàn)高密度設(shè)計(jì)能力的信心的步驟。讓我們深入挖掘并討論電網(wǎng)電力的未來如何在今天已經(jīng)到來。

為什么電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器很重要

并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器用于許多工業(yè)應(yīng)用和終端設(shè)備。如圖 1 所示，這些應(yīng)用包括光伏和太陽(yáng)能逆變器、電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施、儲(chǔ)能以及工業(yè)和電信電源。這些轉(zhuǎn)換器處理三相電力公司和負(fù)載之間的電力流動(dòng)，以及能量存儲(chǔ)和發(fā)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(huì)直接影響運(yùn)營(yíng)成本以及裝置的冷卻和熱管理。其次，隨著這些轉(zhuǎn)換器變得越來越主流，它們的物理尺寸和外形尺寸在購(gòu)買決策中發(fā)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(dǎo)體 FET （MOSFET） 設(shè)計(jì)的功率轉(zhuǎn)換器為該行業(yè)提供了良好的服務(wù)。這些轉(zhuǎn)換器已達(dá)到性能平臺(tái)也就不足為奇了。幾年前，第一代碳化硅 （SiC） FET 進(jìn)入市場(chǎng)，并通過提高其效率和功率密度為傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器提供了急需的推動(dòng)力。然而，隨著在降低成本的同時(shí)進(jìn)一步提高功率密度水平的需求持續(xù)存在，GaN 已成為這兩種技術(shù)的可行替代方案。圖 1 顯示了并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器的一些示例應(yīng)用。

圖 1. 并網(wǎng)轉(zhuǎn)換器示例。

盡管圖 1 所示每個(gè)應(yīng)用中的功率水平和設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)不同，但這些市場(chǎng)具有三個(gè)共同的關(guān)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(yīng)用的目標(biāo)是效率 》 99% 和更小的物理尺寸。

對(duì)流冷卻的需求：風(fēng)扇或液體冷卻等替代或傳統(tǒng)方法會(huì)增加安裝和維護(hù)成本。

降低制造成本：設(shè)計(jì)人員需要更小的表面貼裝有源和無源元件來簡(jiǎn)化生產(chǎn)并降低制造成本。

GaN雙向電網(wǎng)變流器的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器在標(biāo)準(zhǔn)三相半橋拓?fù)渲惺褂?a href="http://srfitnesspt.com/v/tag/873/" target="_blank">高壓 IGBT，開關(guān)頻率為 20 kHz 或更低。鑒于開關(guān)頻率較低，這些設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器在電網(wǎng)應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，包括：

卓越的開關(guān)品質(zhì)因數(shù) （FOM）：與 SiC FET 相比，GaN 的開關(guān)能量降低了 50%，與硅 MOSFET 相比降低了 97%。GaN 的卓越 FOM 直接實(shí)現(xiàn)了更高的開關(guān)頻率，從而顯著減小了整個(gè)系統(tǒng)的無源器件和散熱器的尺寸。

降低系統(tǒng)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(tǒng)冷卻。

設(shè)計(jì)實(shí)例

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

圖 2. TI 采用 GaN 的三相 5kW 對(duì)流冷卻 470mm×162mm×51mm 雙向電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器。（點(diǎn)擊圖片查看大圖。）

TI 展示了基于 GaN 的多電平轉(zhuǎn)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(tǒng) IGBT，而且超越 SiC FET。GaN 卓越的開關(guān)性能使設(shè)計(jì)人員能夠提高開關(guān)頻率，同時(shí)最大限度地降低系統(tǒng)的整體損耗。表 1 比較了三種電源技術(shù)。

表 1. 比較電網(wǎng)變流器中的功率設(shè)備。

這款三相雙向多電平轉(zhuǎn)換器采用 TI 的具有集成驅(qū)動(dòng)器和保護(hù)功能的 50mΩ 600V LMG3410R050 GaN FET 及其 C2000 實(shí)時(shí)控制微控制器設(shè)計(jì)。

GaN 準(zhǔn)備好了嗎？

與其他基于 SiC 的拓?fù)湎啾龋珿aN 不僅使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要因素之一。由于其更高的開關(guān)頻率和更小的電壓階躍，GaN 能夠?qū)⒋判栽捌湓陔娋W(wǎng)轉(zhuǎn)換器中的相關(guān)成本降低 80%。

然而，在評(píng)估 GaN 用于電網(wǎng)應(yīng)用的準(zhǔn)備情況時(shí)，重要的是要超越系統(tǒng)級(jí)成本節(jié)約并考慮其他因素。這些包括：

快速上市： TI 在其 GaN FET 的單個(gè)低電感封裝中集成了柵極驅(qū)動(dòng)器和高速保護(hù)。這使工程師能夠克服高頻電路設(shè)計(jì)和布局的挑戰(zhàn)，以最少的重新設(shè)計(jì)工作加速原型和驗(yàn)證。

使用壽命可靠性： TI GaN FET 已通過超過 3000 萬小時(shí)的可靠性測(cè)試和 》3 GWh 的能量轉(zhuǎn)換，預(yù)計(jì)在 10 年的使用壽命內(nèi)小于 1 時(shí)間故障 （FIT）。此外，這些器件旨在承受極端的開關(guān)操作，包括浪涌和過壓條件。

制造： LMG3410R050 等 GaN 器件是使用標(biāo)準(zhǔn)硅襯底和工具制造的。TI 還利用其現(xiàn)有的大批量封裝和測(cè)試能力來支持生產(chǎn)。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(jià)格的趨勢(shì)。

過去，電力工程師在設(shè)計(jì)電網(wǎng)轉(zhuǎn)換器時(shí)的設(shè)備和拓?fù)溥x擇有限。然而，隨著市場(chǎng)上以極具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格廣泛供應(yīng) GaN 器件，出現(xiàn)了新的可行選擇?；?GaN 的轉(zhuǎn)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(jīng)過了超過 3000 萬小時(shí)的器件可靠性測(cè)試和超過 3 GWh 的功率轉(zhuǎn)換，讓設(shè)計(jì)人員完全有信心在最嚴(yán)苛和最苛刻的電網(wǎng)應(yīng)用中使用 GaN。

審核編輯：郭婷