氮化鎵或將釋放光伏技術(shù)的長(cháng)期潛力

2023 年全球可再生能源發(fā)電量首次超過(guò)全球總發(fā)電量的 30%創(chuàng )歷史新高，這則消息的背后是技術(shù)的不斷創(chuàng )新與突破。

一直以來(lái)，可再生能源利用的一大問(wèn)題是缺乏彈性，比如對于光伏而言，只能根據光照進(jìn)行發(fā)電，而無(wú)法根據需求而定。不過(guò)，隨著(zhù)儲能技術(shù)的推進(jìn)，微型逆變器和串式逆變器正朝向雙向操作技術(shù)方向演進(jìn)，且隨時(shí)可以按需智能地融入電網(wǎng)。

一個(gè)重要且可預見(jiàn)的趨勢是氮化鎵可作為下一代家庭太陽(yáng)能生產(chǎn)的重要組成部分，提供更高的功率密度，更小的外部無(wú)源元件、從而降低系統成本，增加系統效率，提供智能電網(wǎng)的彈性。

作為氮化鎵供應商的先驅者之一，德州儀器（TI）不僅陸續推出了高壓和中壓的氮化鎵產(chǎn)品，更是推出了多款參考設計，以加速光伏市場(chǎng)的創(chuàng )新迭代。

氮化鎵可加速光伏創(chuàng )新

氮化鎵在高壓電源設計中的廣泛應用，原因在于 GaN 具有兩大優(yōu)勢：提高功率密度和提升效率。

提高功率密度：GaN 的開(kāi)關(guān)頻率較高，使設計人員能夠使用體積更小的無(wú)源器件（如電感器和電容器），從而縮小電路板的尺寸。

提升效率：相較于硅設計，GaN 出色的開(kāi)關(guān)和導通損耗性能可將損耗降低大于 50%。除了業(yè)界已經(jīng)采用的高壓 GaN（額定值 >=600V）外，新的中壓 GaN 解決方案（額定值 80V-200V）也日益受到關(guān)注，可在高壓 GaN 之前無(wú)法支持的電源系統中實(shí)現更高的功率密度和效率。

由于氮化鎵相對比較新，而且頻率高，因此工程師設計起來(lái)相對困難，為了降低開(kāi)發(fā)門(mén)檻，TI 的氮化鎵都是通過(guò)集成柵極驅動(dòng)器降低了開(kāi)發(fā)門(mén)檻，另外，高集成度還可以降低額外的組件，以及整體開(kāi)關(guān)損耗。最后還有一個(gè)容易忽略的優(yōu)勢，由于高集成可以實(shí)現最小化開(kāi)關(guān)回路從而減少 EMI。

作為高集成氮化鎵產(chǎn)品的代表，TI 推出了多種產(chǎn)品，以在提供高集成度的同時(shí)，給客戶(hù)帶來(lái)靈活性。近期推出的兩顆代表產(chǎn)品分別為集成半橋氮化鎵的 LMG2100R044，以及集成單個(gè)氮化鎵芯片的 LMG3100R017，通過(guò)提供不同的功率等級，加強了產(chǎn)品的靈活性。TI 的氮化鎵功率器件集成了包括柵極驅動(dòng)器、內部電平轉換器和自舉二極管，因此無(wú)需任何外部驅動(dòng)電路。

另外，這些高集成產(chǎn)品還增加了額外的保護功能，包括 UVLO 等，以及溫度傳感器，從而確保了集成產(chǎn)品的高可靠性。在散熱方面，最新產(chǎn)品提供了頂部和底部雙重散熱，可以最大限度提高散熱效果。

對于太陽(yáng)能電池板子系統而言，LMG2100R044 和 LMG3100R017 器件有助于將系統尺寸縮小 40% 以上。

參考設計印證氮化鎵的特性

為了證實(shí) TI 氮化鎵產(chǎn)品在太陽(yáng)能領(lǐng)域的優(yōu)勢，TI提供了兩款參考設計 TIDA-010933 和 TIDA-010938，實(shí)測結果表明整體效率最高達 98%，同時(shí)，GAN 可以在高開(kāi)關(guān)頻率下切換，因此可以使用更小的磁性元件，與等效硅設計相比，減少了 40% 的整體電路板尺寸。充分驗證了太陽(yáng)能應用中使用氮化鎵的優(yōu)勢。

太陽(yáng)能主要通過(guò)太陽(yáng)能電池板的兩種子系統得以實(shí)現：一種是升壓級后跟逆變器級，將直流電壓范圍轉換為交流電壓；另一種是降壓和升壓級，其中功率優(yōu)化器可將受到遮擋的太陽(yáng)能電池板的電流在輸出側升高，不影響整體組串功率（利用最大功率點(diǎn)跟蹤），然后輸送到串式逆變器。

其中 TIDA-010933 是基于 GaN 的 1.6kW 雙向微型逆變器參考設計，TIDA-010938 則是基于 GaN 的 7.2kW 單相串式逆變器，帶電池儲能系統的參考設計?？梢钥吹?，無(wú)論是哪類(lèi)參考設計，都提供了儲能的支持。

雙向微型逆變器參考設計

傳統的逆變器都是單向的，通常使用反激或推挽式拓撲，成本低但是需要較大的外部分立元件，因此功率密度低，同時(shí)效率也較低。

如今最新的微型逆變器可以具有雙向性，通過(guò)結合儲能系統，整個(gè)光伏設備可在用電高峰時(shí)向電網(wǎng)輸送能量，而在用電波谷時(shí)從電網(wǎng)獲取電力為儲能系統充電。這種靈活的調節方式需要 DC/DC 級以及 AC/DC 級均為雙向功率傳輸，同時(shí)要在增加功能的情況下提高功率密度并降低成本。TIDA-010933 就可以實(shí)現這一目標。

如圖所示，4 個(gè)具有 400W 的光伏太陽(yáng)能板發(fā)電，光伏板電壓為 30-60Vdc，儲能為 48Vdc，高壓 DC 總線(xiàn)為 400Vdc。

具體的三級轉換器中，電壓分別為 230Vac、400Vdc、75Vdc 以及 30-60Vdc。在 75Vdc 至 30Vdc 轉換過(guò)程中，每個(gè)通道都使用了 LMG2100 半橋氮化鎵，而在低壓至高壓直流轉換過(guò)程中，高壓側使用了兩個(gè)額定電壓為 650V 的 LMG3522 氮化鎵，低壓側使用了 LMG2100 氮化鎵，當進(jìn)行右向左的升壓動(dòng)作時(shí)， LMG2100 用于諧振，而 LMG3522 作為同步整流器，反過(guò)來(lái)從左向右工作時(shí)，LMG3522 用于諧振，LMG2100 用于同步整流，從而實(shí)現了雙向工作。

在雙向逆變過(guò)程中，使用了 LMG3522 與 MOSFET 相結合的圖騰柱拓撲方案。

根據 TI 給出的實(shí)際測試結果顯示，整體轉換效率超過(guò)了 96%，遠高于目前單相 90% 出頭的微型逆變器。也正因此，整個(gè)參考設計包含 ACDC  與 DCDC 功能在內，僅有 20×20cm，非常緊湊。

通過(guò)優(yōu)化架構，電解電容可以從低壓側轉移到高壓側，這樣避免了低壓直流側所需的巨大電解電容進(jìn)行濾波。因此，TI 參考設計的功率密度就達到 1kW/L，相比目前單向解決方案提高了 1-2 倍。

組串式逆變器參考設計

除了微型逆變器之外，組串式逆變器由于其相較于集中式逆變器，具有更高靈活性，可適用于不同功率場(chǎng)景中，尤其是工商業(yè)系統中，因此正在變得越來(lái)越流行。

TIDA-010938 是一款 7.2kW 單相組串式逆變器參考設計，尺寸同樣非常小巧，僅為 29×28 cm。和微型逆變器類(lèi)似，也是構建了多級電源轉換拓撲，此參考設計使用了 650V 的 LMG3522 。另外，為了提高靈活性，逆變級可以支持包括 Heric、全橋單極性調制以及全橋雙極性調制在內的多種結構。

TI 的這款參考設計同樣經(jīng)過(guò)了實(shí)測，在寬負載或寬輸入電流內，都可達到 98% 以上的效率。

氮化鎵的無(wú)窮潛力

由于儲能技術(shù)的發(fā)展，以及對于電力靈活性的要求越來(lái)越高，光伏微型逆變器和組串式逆變器正趨向于雙向化。因此，對于新一代設計而言，TI 的參考設計證實(shí)了使用氮化鎵是非常明智的選擇?？梢詫?shí)現可靠的雙向拓撲，同時(shí)相比于傳統硅器件，實(shí)現更低的系統成本以及更高的功率密度。

同時(shí)，TI 的高集成氮化鎵器件可以極大降低系統開(kāi)發(fā)門(mén)檻，通過(guò)集成柵極驅動(dòng)器、過(guò)熱和短路保護等功能，讓系統設計更加簡(jiǎn)單，也讓氮化鎵不再變得神秘。