GaN 半导体降低太阳能转换和存储的每瓦成本

据估计，化石燃料目前占全球发电总量的三分之二，而太阳能和风能仅占发电量的 7%。然而，要实现净零碳排放的目标，就需要加速从化石燃料转向可再生能源。提高可再生能源采用率的基础是降低每瓦转换成本、增加储能容量和提高能源转换效率。随着传统硅电源开关达到极限，氮化镓 （GaN） 将在所有这些领域发挥越来越重要的作用。

太阳能和存储

图 1 中住宅太阳能系统的简化图像 显示了太阳能电池板、储能系统 （ESS） 和整个家庭的单相交流电源分配。此类住宅系统的容量通常在 3 kW 至 10 kW 之间，目前约占太阳能发电市场总量的 25%，其中包括太阳能发电场和工业光伏 （PV） 逆变器。请注意，图 1中所示的电动汽车 进一步增加了备用电池/储能容量，具有双向车载充电功能。

图 1：住宅太阳能发电系统

降低此类系统的每瓦成本需要：

将光伏电池板产生的直流电源转换为交流电源的效率提高

用于存储和释放该能量的解决方案的功率密度和性能得到改善

在这两种情况下，逆变器设计都是应对挑战的关键。

在 PV 和 ESS 设计中，逆变器通过切换 DC 输入，从面板或电池提供的可变 DC 电源产生稳定的 AC 电源。逆变器通常基于 H 桥电源架构，关键组件是功率半导体、用于滤波的无源组件和用于平滑交流正弦波形的磁性元件。

直到最近，逆变器都使用基于硅技术的 MOSFET 和 IGBT 等功率半导体，但为了优化效率和增加功率密度，需要提高逆变器开关频率。这反过来又要求功率开关实现低开关损耗——这是硅功率开关的主要问题。GaN 在高开关频率下实现超低开关损耗，因此是系统效率和功率密度的绝佳选择。使用 GaN 功率晶体管的可再生能源系统不会在转换过程中不必要地浪费太阳能。

选择氮化镓

GaN 对太阳能设计很重要，因为与传统硅相比，它能够提供显着改进的性能，同时减少实现该性能所需的能量和物理空间。

在器件级方面，根据实现的不同，从归一化导通电阻 （R DS（ on ） ） 和栅极电荷 （Q G ）的乘积得出的品质因数对于 GaN 来说可能比硅好 5 到 20 倍。通过使用更小的晶体管和更短的电流路径，实现了超低电阻和电容，并且开关速度可以提高 100 倍。

除了确保更高的系统性能外，改进的开关速度还可以显着减小无源和磁性组件的尺寸（并且在某些应用中可以取消）。使用 GaN 时，这种无源和磁性元件的减少进一步降低了系统成本。

选择集成氮化镓

在评估用于太阳能应用的 GaN 技术时，最重要的考虑因素之一是功率晶体管中内置的功能和保护，而不是需要添加多少电路与附加设备。目标是设计一个“理想开关”，结合 GaN 的优点并使器件易于实施。GaN 器件的保护是另一个级别的性能优势。

“分立”GaN 功率晶体管，例如 GaN 增强型高电子迁移率晶体管 （E-HEMT），通常执行单一功能，因此必须与多个其他电路组件一起实施以实现功能系统。虽然 GaN E-HEMT 是将 GaN 的开关性能引入电源系统的早期尝试，但由于系统设计复杂且在高功率系统中性能不佳，它们未能实现主流采用。此外，GaN E-HEMT 分立器件没有保护功能，并且极易受到静电放电 （ESD） 的影响。可以实施外部电路来保护 GaN E-HEMT 的栅极，但这会引入限速寄生和有损元素，降低 GaN 的潜在性能。

集成 GaN 电源 IC

另一方面，集成 GaN 电源 IC 将多种电力电子功能结合到单个 GaN 芯片上，并提供单个设备所需的最关键功能。因此，除了优化太阳能系统效率和功率容量外，集成 GaN 电源 IC 还降低了系统设计的复杂性、成本和尺寸（与 GaN E-HEMT 分立设计相比）。GaN 功率 IC 的保护特性和 ESD 稳健性进一步提升了其作为功率晶体管的首选地位。

最新的 GaN 功率 IC 单片集成了 GaN 功率 FET、栅极驱动和保护功能，以高速控制和保护 GaN 功率开关。

图 2：集成 GaNFast 电源 IC

这些 GaNFast 器件由 Navitas 开发，基于横向 650-V e-mode GaN-on-Si 技术，并使用该公司专有的 AllGaN 工艺设计套件进行开发。GaNFast IC 本质上是易于使用、高速、高性能、“数字输入、电源输出”的构建块，需要最少的附加电路。除了简化设计之外，集成还可以实现几乎零关断损耗，因为栅极驱动环路的阻抗基本上为零。同时，可以针对目标太阳能应用的特定要求来控制和定制开启性能。GaNFast 产品组合适用于额定功率为 350 W 至 10 kW 的太阳能实施方案。

与大多数大功率转换应用一样，太阳能电池板和存储逆变器应用的设计人员面临的挑战之一是有效的热管理，这样任何多余的热量都不会影响性能或使用寿命。基于 GaN 的解决方案的高效率有助于简化这一挑战，但这可能会被增加的功率密度所抵消，并且不一定完全消除它。为此，Navitas 创建了其 GaN 功率 IC 的热增强版本。这些器件包含一个大型冷却垫，支持顶部和底部冷却，并在使用电流检测电阻器时确保增强的热性能。

最近，Navitas 发布了集成精密传感的集成电源 IC，将提高太阳能应用的效率、自主性和可靠性，并进一步降低每瓦成本。当与集成驱动器相结合时，专有的片上 GaNSense 技术可对系统电流、电压和温度进行精确和可配置的传感，使 GaN IC 不仅能够检测高风险条件，而且可以根据该信息采取行动，从而保护 IC和系统免受任何故障条件的影响。结果是一个非常坚固、保护良好且高度可靠的设备，无需外部监控组件，这些组件传统上会导致损耗、设计复杂性和成本。

可靠性

在采用任何新技术时，客户寻求长期可靠性保证是很自然的。Navitas 的质量方法基于六个基本要素：

通过定义具有设计质量和可靠性的产品来超越客户的期望。

与客户合作，共同开发质量优化的系统解决方案。

与主要供应商合作，共同开发确保质量和可靠性的流程。

开发针对新技术和目标应用进行优化的关键和专有测试技术。

以持续的风险识别和缓解为重点，进行持续而详尽的资格认证、验证和监控。

逐个客户、逐个应用程序和逐个市场地展示基准可靠性。

质量至关重要。截至 2021 年 10 月，超过 3000 万个 GaNFast 功率 IC 出货时报告的 GaN 场故障为零。自 2015 年以来，该公司一直与主要的太阳能原始设备制造商合作，以展示特定应用的可靠性。其中一家公司 Enphase 是全球领先的基于微型逆变器的太阳能加储能系统供应商，最近评论说 “这是硅的终点” ，并且“氮化镓在重要系统中提供十倍的开关频率优势成本优势 ［并且］ 因此针对 Enphase 微型逆变器应用进行了优化。”

图 3：纳维质量理念的六个关键要素

未来

展望未来，GaN 将在实现加速采用太阳能的目标方面发挥关键作用。Navitas 估计，住宅太阳能应用中的 GaN 芯片市场每年可达到 10 亿美元，并且 GaN 电源 IC 有可能将逆变器成本降低多达 25%，同时节省 40% 或更多的能源。

图 4：GaN 可降低逆变器成本和功耗。

每瓦成本的这些改进将使住宅客户的太阳能投资回收期（收回硬件安装成本所需的时间）减少约 10%。

图 5：GaNFast IC 为 PV 逆变器和 ESS 提供解决方案。　　

      审核编辑：彭静