IGBT 與 GaN FET 的比較

串列式轉換器包含電源開關，例如絕緣閘極雙極電晶體 (IGBT)。這類供電產品存在尾電流和二極體逆向復原等問題，會導致高切換損耗。此外，這些現象會受到溫度影響，導致更高的功率損耗，特別是對於靜態冷卻解決方案而言。因此，這些供電產品需要以低頻率運作，需要體積更大的被動元件和散熱器。通常，切換頻率範圍為 5kHz 至 15kHz。

氮化鎵 (GaN) 等寬能隙電源開關沒有少數載子現象，因此能降低切換損耗。降低切換損耗可在維持相同系統損耗的情況下提高切換頻率，進而減少被動元件數量。平均而言，切換頻率將提高六倍。

本文提出 GaN 場效電晶體 (FET) 型 10kW 串列式逆變器。我們也將探討 GaN 的優勢，並強調為住宅太陽能應用建置此類系統的優點。

GaN 型串列式逆變器的設計考量

圖 2 介紹了具有電池儲能系統的 10kW、GaN 型單相串列式逆變器參考設計，包括所有主動和被動元件。

圖 2 以 GaN 裝置為基礎的 10kW 單相參考設計

圖 3 是轉換器的電路圖。

圖 3 單相串列式逆變器參考設計方塊圖

此參考設計包含四個在不同切換頻率下運作的電源轉換系統：

• 兩個升壓轉換器，用於實現兩個獨立串列輸入，每個額定功率為 5kW (134kHz)。
• 額定功率為 10kW 的交錯式雙向 DC/DC 轉換器 (67kHz)。
• 推向電網、額定功率為 4.6kW 的雙向 DC/AC 轉換器 (89kHz)。

供電產品

由於可在頂部冷卻額定電壓為 650V 的 30mΩ LMG3522R030 GaN FET，其熱阻抗低於底部冷卻裝置。這些 FET 具有整合式閘極驅動器，可降低解決方案成本並縮小設計尺寸。

MCU

如圖 3 所示，單一 MCU 控制參考設計。TMS320F28P550SJ 可即時控制四個功率轉換級、保護，以及多重控制迴路的實作。可以讓 MCU 參考電源接地 (GND DC–)。由於有整合式閘極驅動器，也可以直接控制 GaN FET。底側（Q1A、Q1B、Q2、Q4、Q6、Q7）不需要隔離式閘極驅動器。

電流感測

系統需要在不同轉換器級的不同點進行電流測量。由於 MCU 參考電源接地，升壓轉換器會利用 INA181 等分流架構解決方案測量負軌上的電流。在交錯式轉換器中，您需要使用 AMC1302 等精密電流感測強化型隔離放大器，在不同時間和不同溫度下以高準確度測量電池中的電流。內部 GaN 低壓差穩壓器產生的 5V 可為電流感測放大器供電。在逆變器級中，可使用 TMCS1123 等霍爾效應電流感測器測量電網電流。其高頻寬與準確度有助於大幅降低電流 THD。

實驗結果

我們使用以下系統電壓運作參考設計：

• 串列輸入電壓：350V。
• 額定電池電壓：160V。
• 電網電壓：230V。
• DC 鏈路電壓：控制在 400V。

我們收集了轉換器在不同情境下運作時的以下效率：

• 從串列輸入汲取並輸送至電網的功率（請參閱圖 4）。
• 從電池中汲取並輸送到電網的功能（請參閱圖 5）。
• 從串列輸入汲取並輸送至電池的功率（請參閱圖 6）。

圖 4 從光電板輸出向電網轉換功率時的效率（350V_DC，230V_AC）

圖 5 從電池輸出向電網轉換功率時的效率（160V_DC，230V_AC）

圖 6 從光電板向電池轉換功率時的效率（350V_DC，160V_DC）

圖表顯示，即使切換速度比標準 IGBT 解決方案快六倍，整體效率仍可媲美現今的 IGBT 解決方案。包含內務處理型電源供應器時，效率仍接近 98%。所有三張圖都包含兩個功率轉換級。

結論

GaN 有助於實現更高的功率密度，進而減輕最終終端設備的重量。憑藉接近 98% 的整體系統效率和 2.3kW/L 的功率密度，此串列式逆變器參考設計展現出絕佳性能。此外，考慮到整體系統成本，實作整合式閘極驅動器解決方案的可能會降低成本。

其他資源

• 歡迎查看以下其他 TI 參考設計：
  • 以 GaN 為基礎的 1.6kW、雙向微型逆變器參考設計。
  • 適用於太陽能應用中機器學習電弧偵測的類比前端參考設計。
  • 400W GaN 型 MPPT 充電控制器和功率最佳化工具參考設計。
  • 具有電池儲能系統的 10kW、GaN 型單相串列式逆變器參考設計。
• 閱讀 How2Power 文章，「評估以 GaN FET 為基礎的 10kW 串列式逆變器的性能」。

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