2023 年全球可再生能源發電量

首次超過全球總發電量的 30%

創歷史新高

這則消息的背后

是技術的不斷創新與突破【1】

一直以來，可再生能源利用的一大問題是缺乏彈性，比如對于光伏而言，只能根據光照進行發電，而無法根據需求而定。不過，隨著儲能技術的推進，微型逆變器和串式逆變器正朝向雙向操作技術方向演進，且隨時可以按需智能地融入電網。

一個重要且可預見的趨勢是氮化鎵可作為下一代家庭太陽能生產的重要組成部分，提供更高的功率密度，更小的外部無源元件、從而降低系統成本，增加系統效率，提供智能電網的彈性。

作為氮化鎵供應商的先驅者之一，德州儀器（TI）不僅陸續推出了高壓和中壓的氮化鎵產品，更是推出了多款參考設計，以加速光伏市場的創新迭代。

氮化鎵可加速光伏創新

氮化鎵在高壓電源設計中的廣泛應用，原因在于 GaN 具有兩大優勢：提高功率密度和提升效率。

提高功率密度：GaN 的開關頻率較高，使設計人員能夠使用體積更小的無源器件（如電感器和電容器），從而縮小電路板的尺寸。

提升效率：相較于硅設計，GaN出色的開關和導通損耗性能可將損耗降低大于 50%。除了業界已經采用的高壓 GaN（額定值 >=600V）外，新的中壓 GaN 解決方案（額定值 80V-200V）也日益受到關注，可在高壓 GaN 之前無法支持的電源系統中實現更高的功率密度和效率。

由于氮化鎵相對比較新，而且頻率高，因此工程師設計起來相對困難，為了降低開發門檻，TI 的氮化鎵都是通過集成柵極驅動器降低了開發門檻，另外，高集成度還可以降低額外的組件，以及整體開關損耗。最后還有一個容易忽略的優勢，由于高集成可以實現最小化開關回路從而減少 EMI。

作為高集成氮化鎵產品的代表，TI 推出了多種產品，以在提供高集成度的同時，給客戶帶來靈活性。近期推出的兩顆代表產品分別為集成半橋氮化鎵的 LMG2100R044，以及集成單個氮化鎵芯片的 LMG3100R017，通過提供不同的功率等級，加強了產品的靈活性。TI 的氮化鎵功率器件集成了包括柵極驅動器、內部電平轉換器和自舉二極管，因此無需任何外部驅動電路。

另外，這些高集成產品還增加了額外的保護功能，包括 UVLO 等，以及溫度傳感器，從而確保了集成產品的高可靠性。在散熱方面，最新產品提供了頂部和底部雙重散熱，可以最大限度提高散熱效果。

對于太陽能電池板子系統而言，LMG2100R044 和 LMG3100R017器件有助于將系統尺寸縮小 40%以上。

參考設計印證氮化鎵的特性

為了證實 TI 氮化鎵產品在太陽能領域的優勢，TI提供了兩款參考設計TIDA-010933 和 TIDA-010938，實測結果表明整體效率最高達 98%，同時，GAN 可以在高開關頻率下切換，因此可以使用更小的磁性元件，與等效硅設計相比，減少了 40% 的整體電路板尺寸。充分驗證了太陽能應用中使用氮化鎵的優勢。

太陽能主要通過太陽能電池板的兩種子系統得以實現：一種是升壓級后跟逆變器級，將直流電壓范圍轉換為交流電壓；另一種是降壓和升壓級，其中功率優化器可將受到遮擋的太陽能電池板的電流在輸出側升高，不影響整體組串功率（利用最大功率點跟蹤），然后輸送到串式逆變器。

其中TIDA-010933是基于 GaN 的 1.6kW 雙向微型逆變器參考設計，TIDA-010938則是基于 GaN 的 7.2kW 單相串式逆變器，帶電池儲能系統的參考設計。可以看到，無論是哪類參考設計，都提供了儲能的支持。

雙向微型逆變器參考設計

傳統的逆變器都是單向的，通常使用反激或推挽式拓撲，成本低但是需要較大的外部分立元件，因此功率密度低，同時效率也較低。

如今最新的微型逆變器可以具有雙向性，通過結合儲能系統，整個光伏設備可在用電高峰時向電網輸送能量，而在用電波谷時從電網獲取電力為儲能系統充電。這種靈活的調節方式需要 DC/DC 級以及 AC/DC 級均為雙向功率傳輸，同時要在增加功能的情況下提高功率密度并降低成本。TIDA-010933 就可以實現這一目標。

如圖所示，4 個具有 400W 的光伏太陽能板發電，光伏板電壓為 30-60Vdc，儲能為 48Vdc，高壓 DC 總線為 400Vdc。

具體的三級轉換器中，電壓分別為230Vac、400Vdc、75Vdc 以及 30-60Vdc。在 75Vdc 至 30Vdc 轉換過程中，每個通道都使用了LMG2100 半橋氮化鎵，而在低壓至高壓直流轉換過程中，高壓側使用了兩個額定電壓為 650V 的LMG3522 氮化鎵，低壓側使用了LMG2100 氮化鎵，當進行右向左的升壓動作時， LMG2100 用于諧振，而 LMG3522 作為同步整流器，反過來從左向右工作時，LMG3522 用于諧振，LMG2100 用于同步整流，從而實現了雙向工作。

在雙向逆變過程中，使用了LMG3522與MOSFET相結合的圖騰柱拓撲方案。

根據 TI 給出的實際測試結果顯示，整體轉換效率超過了 96%，遠高于目前單相 90% 出頭的微型逆變器。也正因此，整個參考設計包含 ACDC 與 DCDC 功能在內，僅有 20×20cm，非常緊湊。

通過優化架構，電解電容可以從低壓側轉移到高壓側，這樣避免了低壓直流側所需的巨大電解電容進行濾波。因此，TI 參考設計的功率密度就達到 1kW/L，相比目前單向解決方案提高了 1-2 倍。

組串式逆變器參考設計

除了微型逆變器之外，組串式逆變器由于其相較于集中式逆變器，具有更高靈活性，可適用于不同功率場景中，尤其是工商業系統中，因此正在變得越來越流行。

TIDA-010938是一款7.2kW 單相組串式逆變器參考設計，尺寸同樣非常小巧，僅為 29×28 cm。和微型逆變器類似，也是構建了多級電源轉換拓撲，此參考設計使用了650V 的 LMG3522。另外，為了提高靈活性，逆變級可以支持包括Heric、全橋單極性調制以及全橋雙極性調制在內的多種結構。

TI 的這款參考設計同樣經過了實測，在寬負載或寬輸入電流內，都可達到98% 以上的效率。

氮化鎵的無窮潛力

由于儲能技術的發展，以及對于電力靈活性的要求越來越高，光伏微型逆變器和組串式逆變器正趨向于雙向化。因此，對于新一代設計而言，TI 的參考設計證實了使用氮化鎵是非常明智的選擇。可以實現可靠的雙向拓撲，同時相比于傳統硅器件，實現更低的系統成本以及更高的功率密度。

同時，TI 的高集成氮化鎵器件可以極大降低系統開發門檻，通過集成柵極驅動器、過熱和短路保護等功能，讓系統設計更加簡單，也讓氮化鎵不再變得神秘。