氮化镓或将释放光伏技术的长期潜力

电子工程世界 2024-10-16 08:02

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“2023年全球可再生能源发电量首次超过全球总发电量的30%，创历史新高。”这则消息的背后，是技术的不断创新与突破。[1]

一直以来，可再生能源利用的一大问题是缺乏弹性，比如对于光伏而言，只能根据光照进行发电，而无法根据需求而定。不过，随着储能技术的推进，微型逆变器和串式逆变器正朝向双向操作技术方向演进，且随时可以按需智能地融入电网。

一个重要且可预见的趋势是氮化镓可作为下一代家庭太阳能生产的重要组成部分，提供更高的功率密度，更小的外部无源元件、从而降低系统成本，增加系统效率，提供智能电网的弹性。

作为氮化镓供应商的先驱者之一，德州仪器（TI）不仅陆续推出了高压和中压的氮化镓产品，更是推出了多款参考设计，以加速光伏市场的创新迭代。

氮化镓可加速光伏创新

氮化镓在高压电源设计中的广泛应用，原因在于 GaN 具有两大优势：提高功率密度和提升效率。

提高功率密度：GaN 的开关频率较高，使设计人员能够使用体积更小的无源器件（如电感器和电容器），从而缩小电路板的尺寸。

提升效率：相较于硅设计，GaN 出色的开关和导通损耗性能可将损耗降低大于50%。除了业界已经采用的高压 GaN（额定值 >=600V）外，新的中压 GaN 解决方案（额定值 80V-200V）也日益受到关注，可在高压 GaN 之前无法支持的电源系统中实现更高的功率密度和效率。

由于氮化镓相对比较新，而且频率高，因此工程师设计起来相对困难，为了降低开发门槛，TI的氮化镓都是通过集成栅极驱动器降低了开发门槛，另外，高集成度还可以降低额外的组件，以及整体开关损耗。最后还有一个容易忽略的优势，由于高集成可以实现最小化开关回路从而减少EMI。

作为高集成氮化镓产品的代表，TI推出了多种产品，以在提供高集成度的同时，给客户带来灵活性。近期推出的两颗代表产品分别为集成半桥氮化镓的LMG2100R044，以及集成单个氮化镓芯片的LMG3100R017，通过提供不同的功率等级，加强了产品的灵活性。TI的氮化镓功率器件集成了包括栅极驱动器、内部电平转换器和自举二极管，因此无需任何外部驱动电路。

另外，这些高集成产品还增加了额外的保护功能，包括UVLO等，以及温度传感器，从而确保了集成产品的高可靠性。在散热方面，最新产品提供了顶部和底部双重散热，可以最大限度提高散热效果。

对于太阳能电池板子系统而言，LMG2100R044 和 LMG3100R017器件有助于将系统尺寸缩小 40% 以上。

参考设计印证氮化镓的特性

为了证实TI氮化镓产品在太阳能领域的优势，TI提供了两款参考设计TIDA-010933和TIDA-010938，实测结果表明整体效率最高可达98%，同时，GAN 可以在高开关频率下切换，因此可以使用更小的磁性元件，与等效硅设计相比，减少了 40% 的整体电路板尺寸。充分验证了太阳能应用中使用氮化镓的优势。

太阳能主要通过太阳能电池板的两种子系统得以实现：一种是升压级后跟逆变器级，将直流电压范围转换为交流电压；另一种是降压和升压级，其中功率优化器可将受到遮挡的太阳能电池板的电流在输出侧升高，不影响整体组串功率（利用最大功率点跟踪），然后输送到串式逆变器。

其中TIDA-010933是基于 GaN 的 1.6kW 双向微型逆变器参考设计，TIDA-010938则是基于 GaN 的7.2 kW单相串式逆变器，带电池储能系统的参考设计。可以看到，无论是哪类参考设计，都提供了储能的支持。

双向微型逆变器参考设计

传统的逆变器都是单向的，通常使用反激或推挽式拓扑，成本低但是需要较大的外部分立元件，因此功率密度低，同时效率也较低。

如今最新的微型逆变器可以具有双向性，通过结合储能系统，整个光伏设备可在用电高峰时向电网输送能量，而在用电波谷时从电网获取电力为储能系统充电。这种灵活的调节方式需要DC/DC级以及AC/DC级均为双向功率传输，同时要在增加功能的情况下提高功率密度并降低成本。TIDA-010933就可以实现这一目标。

如图所示，4个具有400W的光伏太阳能板发电，光伏板电压为30-60Vdc，储能为48Vdc，高压DC总线为400Vdc。

具体的三级转换器中，电压分别为230Vac、400Vdc、75Vdc以及30-60Vdc。在75Vdc至30Vdc转换过程中，每个通道都使用了LMG2100半桥氮化镓，而在低压至高压直流转换过程中，高压侧使用了两个额定电压为650V的LMG3522氮化镓，低压侧使用了LMG2100氮化镓，当进行右向左的升压动作时，LMG2100用于谐振，而LMG3522作为同步整流器，反过来从左向右工作时，LMG3522用于谐振，LMG2100用于同步整流，从而实现了双向工作。

在双向逆变过程中，使用了LMG3522与MOSFET相结合的图腾柱拓扑方案。