GaN 如何提高逆變器效率

GaN FET 導致的導通損耗與 GaN 的導通狀態電阻成正比，這一點與 MOSFET 類似。但對于 IGBT，導通損耗取決于拐點電壓和動態導通狀態電阻，這通常高于 GaN FET 或 MOSFET。

在開關損耗方面，與 MOSFET 和 IGBT 相比，GaN FET 的損耗要低得多，原因是：

• GaN 提供零反向恢復。通過零反向恢復，可以非常高的電流壓擺率 (di/dt) 和電壓壓擺率 (dv/dt) 切換 GaN FET。在 MOSFET 中，體二極管會出現較高的零反向恢復，從而限制開關 di/dt 和 dv/dt，并導致額外的損耗和相位節點電壓振鈴。對于 IGBT，即使添加經過優化的反向并聯二極管，仍然會帶來與反向恢復相關的難題。
• 關閉時，IGBT 會受到少數載流子復合電流（通常稱為尾電流）的影響，該電流會增加關斷損耗。GaN 沒有任何尾電流。
• 與 IGBT 和 MOSFET 相比，GaN 的電容更低，因此電容開關損耗更低。
• 受控和更快的 di/dt 和受控 dv/dt 有助于優化開關期間的電壓-電流重疊損耗。

圖 1 展示了在開關頻率為 20kHz、基于 GaN 的逆變器的相位節點電壓壓擺率限制為 5V/ns、環境溫度為 55°C 的情況下，基于 GaN、IGBT 和 MOSFET 的解決方案的逆變器效率理論比較。可以看到，GaN 解決方案可幫助將功率損耗至少降低一半。

圖 2 比較了德州儀器 (TI) DRV7308 三相 GaN 智能電源模塊 (IPM) 和峰值電流額定值為 5A 的 IGBT IPM 的效率。相應的值在以下條件下測得：電源電壓為 300V_DC、開關頻率為 20kHz、環境溫度為 25°C、風扇電機電纜長度為 2m、提供 0.85A 的均方根繞組電流和 250W 的逆變器輸出功率。GaN IPM 的壓擺率配置為 5V/ns。