IGBT 與 GaN FET 的比較

串式逆變器由電源開關組成，例如絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)。這種功率器件存在尾電流和二極管反向恢復等問題，會導致開關損耗較高。此外，這些現象受溫度影響，會導致更高的功率損耗，尤其是在采用靜態散熱解決方案時。因此，這些功率器件需要在低頻下運行，需要體積更大的無源元件和散熱器。開關頻率典型范圍為 5kHz 至 15kHz。

氮化鎵 (GaN) 等寬帶隙電源開關沒有少數載流子現象，因此能夠減少開關損耗。開關損耗降低后，能夠在保持系統損耗不變的情況下提高開關頻率，從而減少無源元件的數量。平均而言，開關頻率可以提高 6 倍。

本文提出了一種基于 GaN 場效應晶體管 (FET) 的 10kW 串式逆變器。我們還將探討 GaN 的優勢，并重點介紹為住宅太陽能應用構建此類系統的優勢。

基于 GaN 的串式逆變器的設計注意事項

圖 2 所示為基于 GaN 且具有電池儲能系統的 10kW 單相串式逆變器參考設計，包括所有有源和無源元件。

圖 2 基于 GaN 器件的 10kW 單相參考設計

圖 3 是該轉換器的原理圖表示。

圖 3 單相串式逆變器參考設計方框圖

該參考設計包含四個在不同開關頻率下運行的電源轉換系統：

• 兩個升壓轉換器，用于實現兩個獨立的串式輸入，每個轉換器的額定功率為 5kW (134kHz)。
• 一個交錯式雙向 DC/DC 轉換器，額定功率為 10kW (67kHz)。
• 一個面向電網的雙向 DC/AC 轉換器，額定功率為 4.6kW (89kHz)。

功率器件

由于能夠在頂部為額定電壓為 650V 的 30mΩ LMG3522R030 GaN FET 進行散熱，因此熱阻抗比底部散熱器件更小。這些 FET 集成了柵極驅動器，可降低解決方案成本并縮小設計尺寸。

MCU

如圖 3 所示，該參考設計由單個 MCU 控制。TMS320F28P550SJ 可對四個功率轉換級進行實時控制、提供保護并實現多個控制環路。可以讓 MCU 將電源地 (GND DC–) 作為參考。由于集成了柵極驅動器，也可以直接控制 GaN FET。底部不需要隔離式柵極驅動器（Q1A、Q1B、Q2、Q4、Q6、Q7）。

電流檢測

系統需要在不同轉換器級的不同點進行電流測量。升壓轉換器使用基于并聯的解決方案（例如負電源軌上的 INA181）來測量電流，因為 MCU 將電源地作為參考。在交錯式轉換器中，您需要使用高精度電流檢測增強型隔離式放大器 AMC1302 等器件，在不同的時間和溫度條件下以高精確度測量電池中的電流。內部 GaN 低壓降穩壓器生成的 5V 電壓用于為電流檢測放大器供電。在逆變器級中，可以使用霍爾效應電流傳感器（例如 TMCS1123）來測量電網電流。這種傳感器具有高帶寬和高準確度，有助于顯著降低電流 THD。

實驗結果

我們使用以下系統電壓運行了此參考設計：

• 串式輸入電壓：350V。
• 標稱電池電壓：160V。
• 電網電壓：230V。
• 直流鏈路電壓：控制在 400V。

我們收集了轉換器在不同場景下工作時的效率：

• 從串式輸入中獲取電力并輸送至電網（見圖 4）。
• 從電池中獲取電力并輸送至電網（見圖 5）。
• 從串式輸入中獲取電力并輸送至電池（見圖 6）。

圖 4 將光伏面板輸出的電力轉換到電網時的效率（350V_DC、230V_AC）

圖 5 將電池輸出的電力轉換到電網時的效率（160V_DC、230V_AC）

圖 6 將光伏面板的電力轉換到電池時的效率（350V_DC、160V_DC）

這些圖表明，即使開關速度比標準 IGBT 解決方案快六倍，整體效率仍然與當今的 IGBT 解決方案相當。包含輔助控制電源時，效率依舊保持在 98% 左右。所有三張圖都包含兩個電源轉換級。

結語

GaN 有助于實現更高的功率密度，從而減輕終端設備的重量。串式逆變器參考設計具有接近 98% 的整體系統效率和 2.3kW/L 的功率密度，展現出優越的性能。此外，在考慮系統總成本時，實施集成柵極驅動器解決方案可降低成本。

其他資源

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  • 基于 GaN 的 1.6kW 雙向微型逆變器參考設計。
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