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
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