光伏微型逆變器，GaN的新戰(zhàn)場(chǎng)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/梁浩斌）GaN作為第三代半導(dǎo)體，已經(jīng)在消費(fèi)電子電源，充電器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。GaN的高頻特性，能夠幫助縮小電源體積，同時(shí)提高轉(zhuǎn)換效率，因此在很多領(lǐng)域包括汽車、光伏等應(yīng)用中也有很大的市場(chǎng)空間。尤其是光伏應(yīng)用的微型逆變器，在近幾年隨著GaN廠商積極推出相關(guān)方案以及產(chǎn)品，已經(jīng)在市場(chǎng)上取得一定成功。

GaN在光伏系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

近年來(lái)，微型逆變器市場(chǎng)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，當(dāng)然這也是得益于光伏發(fā)電等清潔能源的普及。微型逆變器可以將光伏面板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)或家用的交流電，能夠直接接入電網(wǎng)或家庭中。與傳統(tǒng)組串變器相比，它具有提高系統(tǒng)效率、安全性和靈活性的優(yōu)勢(shì)。

微型逆變器的主要作用除了將直流電轉(zhuǎn)換為交流電外，還能針對(duì)每塊光伏面板進(jìn)行單獨(dú)的最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT），保障光伏系統(tǒng)的各個(gè)單元都運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而提高整體光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。

一般來(lái)說(shuō)，微型逆變器與光伏電池是安裝在一起的，由于微型逆變器體積較小，且支持熱插拔，用戶使用就較為靈活，可以根據(jù)需求來(lái)自行擴(kuò)展系統(tǒng)功率。且由于大型光伏系統(tǒng)中存在多個(gè)微型逆變器，所以單個(gè)逆變器的出現(xiàn)問(wèn)題也不會(huì)影響到整體系統(tǒng)工作。

在安全性方面，微型逆變器的優(yōu)勢(shì)同樣明顯。由于每個(gè)微型逆變器對(duì)應(yīng)的光伏面板數(shù)量較少，因此工作在較低的直流電壓下，減少了高壓電擊的風(fēng)險(xiǎn)，提升了系統(tǒng)的整體安全性。高頻變壓器的使用進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了電池板與電網(wǎng)之間的電氣隔離，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全保護(hù)。

那么從這些描述來(lái)看，GaN作為寬禁帶半導(dǎo)體，GaN的功率器件用于微型逆變器就非常合適。首先是GaN功率器件高頻特性能夠大幅提高整體微型逆變器的功率密度，其次更低的導(dǎo)通損耗，能夠提高轉(zhuǎn)換效率，降低損耗，同時(shí)提高系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。

比如在相同的結(jié)面積情況下，GaN的導(dǎo)通電阻僅有5mΩ/cm2, 硅的導(dǎo)通電阻為10mΩ/cm2。

而在功率密度上，以O(shè)CB為例，使用GaN的OBC方案能夠比SiC方案尺寸縮小60%，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)比SiC高62%的開關(guān)頻率，因此能相比SiC擁有更高的功率密度和轉(zhuǎn)換效率。

因此，早在2022年，德國(guó)光伏企業(yè)SolarnativeEPC就在旗下新型微型逆變器中采用了EPC的GaN器件，而這款逆變器據(jù)稱是當(dāng)時(shí)全球最小的逆變器，尺寸僅23.9mm x 23.2mm x 404mm，功率密度高達(dá)1.6kW/L。

GaN廠商布局光伏微型逆變器

在光伏系統(tǒng)上，去年8月，功率GaN廠商Transphorm宣布，在大恒能源全球首個(gè)全集成化微型逆變器光伏系統(tǒng)上使用了Transphorm的GaN FET器件。大恒能源在SolarUnits產(chǎn)品線（DC-DC和DC-AC）中使用了Transphorm的150mΩ和70mΩ GaN FET器件。

根據(jù)Transphorm提供的數(shù)據(jù)，GaN在光伏微型逆變器應(yīng)用領(lǐng)域的潛在市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)5億美元，這也吸引了更多廠商開始開拓GaN在光伏微型逆變器領(lǐng)域的市場(chǎng)應(yīng)用。

貝尼電氣在2022年就展示了2800W四路微型逆變器，采用了GaN技術(shù)，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)97.5%，可連接4個(gè)面板，并通過(guò)監(jiān)控每個(gè)模塊的發(fā)電量實(shí)現(xiàn)模塊級(jí)維護(hù)和管理。

在GaN應(yīng)用在光伏微型逆變器中時(shí)，需要考慮到功率晶體管中內(nèi)置的功能和保護(hù)，而納微半導(dǎo)體的解決方案是，通過(guò)將多種電力電子功能，包括柵極驅(qū)動(dòng)、保護(hù)功能、高速控制、保護(hù)GaN功率開關(guān)等集成到單個(gè)GaN芯片中，即集成GaN電源IC。與分立GaN E-HEMT相比，GaN電源IC能夠降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，以及降低成本和尺寸。

目前納微半導(dǎo)體的GaNFast系列的GaN芯片產(chǎn)品組合可以適用于額定功率為 350 W 至 10 kW的光伏微型逆變器方案中。同時(shí)還提供集成精密傳感的GaN 電源IC，幫助提高光伏應(yīng)用的效率和可靠性，降低每瓦成本。

英諾賽科去年8月中標(biāo)中碳科技(洛陽(yáng))有限公司單相微型逆變器采購(gòu)項(xiàng)目，作為功率GaN廠商，英諾賽科也在持續(xù)拓展GaN在光伏微型逆變器的應(yīng)用。英諾賽科開發(fā)了2kW微型逆變器方案，采用Flyback+H-bridge Inverter結(jié)構(gòu)，搭配使用了150V GaN和650V GaN，前者在導(dǎo)通損耗和驅(qū)動(dòng)損耗方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，后者還實(shí)現(xiàn)了良好的散熱效果。相比傳統(tǒng)Si方案，2kW微逆體積減小約20%，功率器件損耗減小35%，顯著提升了系統(tǒng)性能和功率密度，更加適用于屋頂光伏陣列的模塊化設(shè)計(jì)。

小結(jié)：

目前，功率GaN器件在光伏微型逆變器上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。由于光伏微逆上應(yīng)用GaN技術(shù)能夠帶來(lái)小型化、高效率等優(yōu)勢(shì)，因此未來(lái)也將會(huì)有更多微逆廠商會(huì)使用GaN器件。

根據(jù)Mordor Intelligence的數(shù)據(jù)，2024年全球微型逆變器市場(chǎng)的規(guī)模預(yù)計(jì)為31.5億美元，預(yù)計(jì)到2029年將達(dá)到77.4億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）為19.70%。未來(lái)微逆市場(chǎng)規(guī)模的高速增長(zhǎng)，也將會(huì)給GaN廠商帶來(lái)更大的市場(chǎng)空間。