技术干货 | 氮化镓或将释放光伏技术的长期潜力

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 。

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 7.2kW 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。

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 。

根据 TI 给出的实际测试结果显示， 整体转换效率超过了 96% ，远高于目前单相 90% 出头的微型逆变器。也正因此，整个参考设计 包含 ACDC  与 DCDC 功能 在内， 仅有 20 × 20cm ，非常紧凑。

通过优化架构，电解电容可以从低压侧转移到高压侧，这样避免了 低压直流侧所需的巨大电解电容进行滤波 。因此，TI 参考设计的 功率密度就达到 1kW/L ，相比目前单向解决方案 提高了 1-2 倍 。

除了微型逆变器之外， 组串式逆变器 由于其相较于集中式逆变器，具有更高灵活性，可适用于不同功率场景中，尤其是工商业系统中，因此正在变得越来越流行。

TIDA-010938 是一款 7.2kW 单相组串式逆变器参考设计 ，尺寸同样非常小巧， 仅为 29×28 cm 。和微型逆变器类似，也是构建了多级电源转换拓扑，此参考设计使用了 650V 的 LMG3522 。另外，为了提高灵活性，逆变级可以支持 包括 Heric、全桥单极性调制 以及 全桥双极性调制 在内的多种结构。

TI 的这款参考设计同样经过了实测，在宽负载或宽输入电流内，都可达到 98% 以上的效率 。

由于储能技术的发展，以及对于电力灵活性的要求越来越高， 光伏微型逆变器和组串式逆变器正趋向于双向化 。因此，对于新一代设计而言，TI 的参考设计证实了使用氮化镓是非常明智的选择。可以实现 可靠的双向拓扑 ，同时相比于传统硅器件，实现 更低的系统成本以及更高的功率密度 。

同时， TI 的高集成氮化镓器件 可以极大降低系统开发门槛，通过集成栅极驱动器、过热和短路保护等功能，让系统设计更加简单，也 让氮化镓不再变得神秘 。

参考来源：

[1]来自2024年5月8日，全球能源智库Ember的最新报告：2023 年,得益于太阳能和风力发电量的增长,可再生能源发电量在全球发电量中的占比达到了前所未有的 30%。 https://ember-climate.org/zh-hans/数据/研究报告/global-electricity-review-2024/