【導讀】太陽能發電系統的發展持續攀升，而光伏逆變器的性能表現，正成為行業技術的核心。這類設備的核心設計目標，盡可能利用太陽能資源。在眾多技術突破中，氮化鎵（GaN）材料的應用堪稱關鍵創新。當下，氮化鎵正加速替代傳統的硅（Si）基器件及絕緣柵雙極晶體管（IGBT）系統，成為光伏逆變器領域的新一代核心元件。
比較 GaN、SiC 和 IGBT
GaN 憑借其每個裸片區更優的電阻（Rsp）、更低的輸入輸出電容（Ciss 和 Coss）以及零反向恢復電荷等特性，顯著提升了功率轉換系統的性能。這些關鍵屬性，對于開關頻率提升場景下的導通損耗與開關損耗控制至關重要；而損耗的降低又會進一步縮減無源元件的體積，助力功率轉換系統實現輕量化與小型化的設計目標。
為充分釋放 GaN 的技術潛力，科研人員正圍繞制造工藝優化、Rsp 性能提升及封裝技術升級等方向展開深入攻關。以封裝方案為例，如表 1 所示，相較于傳統的雙 decawatt 封裝（D2PAK）、晶體管封裝輪廓（TO）-247 等表面貼裝封裝，** 晶體管無引線封裝（TOLL）** 在熱傳導性能和寄生效應抑制方面表現更為突出，可有效保障 GaN 器件在高負荷工況下的穩定性與能效水平。
表 1 TO-247、D2PAK、TOLL 封裝中的 GaN 器件熱阻值
TOLL 封裝簡介
作為無引線封裝，TOLL 封裝的寄生電感非常低，因而開關速度更快（減少開關損耗）、壓擺率更高并且電磁干擾更低。TOLL 封裝的尺寸為 9.9mm x 11.68mm x 2.3mm，顯著小于 TO-247 的封裝尺寸 15.94mm x 20.95mm x 5.02mm，如此以來，印刷電路板上可利用的面積會增加 70%。經過優化的 GaN 工藝使 GaN 場效應晶體管 (FET) 具有極低的漏源導通電阻 (RDS (on))，適用于高功率應用。TOLL 封裝的尺寸緊湊，可實現更快的熱損耗并提高熱效率。
將 GaN FET 與驅動器集成在一起，可進一步提高效率和降低成本，有助于減少柵極電感環路數量，并在功率級中嵌入過流和過熱保護功能。通過集成可以更好地利用 TOLL 封裝的優勢，從而進一步降低寄生效應和系統成本。TI 的 LMG3650 等器件結合了集成和高效散熱封裝的優勢，可用于高壓電源轉換系統。在高壓電源轉換系統中，熱性能是主要考慮因素，尤其在有源冷卻面臨挑戰的情況下更應如此。
TOLL 在能源基礎設施方面的應用
鑒于商業和住宅環境的需求，太陽能微型逆變器、串式逆變器和儲能系統都具有對效率、尺寸和成本敏感的功率轉換級。
在太陽能應用中，逆變器輸出通常與交流電網相連接，FET 的額定電壓需達到 650V。此外，這些逆變器應盡可能緊湊，以便靈活地應用于住宅或商業系統。高壓 GaN FET 的額定絕對最大電壓為 800V，并能增加開關頻率，縮小無源器件的尺寸，從而滿足高電壓和尺寸兩項系統要求。TOLL 封裝具有高效散熱特性，適用于系統環境溫度高于室溫且有效熱損耗至關重要的太陽能應用中。
LMG3650 中的集成式功率級提供過熱保護、過流保護和欠壓鎖定等保護功能，無需外部保護電路，從而降低設計復雜性和縮小尺寸。它具有零電壓檢測和過零檢測等高級功能，可優化死區時間并降低損耗，還配有 5V 低壓降穩壓器，為驅動任何輔助電路輸出電流源。這些特性有助于優化能量轉換系統的性能和成本。
基于 GaN 的 600W 單相循環換流器參考設計具有循環換流器拓撲，在高壓側使用 LMG3650，在低壓側使用 LMG2100。該參考設計展示了集成式 GaN 器件的潛力，該器件的功率密度為 640W/L，峰值效率為 96.1%，并可在高達 600kHz 的開關頻率下運行。
使用 TOLL 器件進行設計
為您的設計選擇合適的 GaN 器件是通過降低開關和傳導損耗來提高系統性能的必要條件。使用 RDS (on) 較低的器件可能不是提高效率的一站式解決方案，因為它需要較大的 GaN 芯片，這會增加輸出電容，進而增加開關損耗和成本。
在硬開關拓撲中，具備較高 Coss 的低 RDS (on) 會致使開關損耗大于導通損耗，而在軟開關拓撲中，低 RDS (on) 能提高效率并且使開關和導通損耗非常低。
設計人員需要關注的另一點是多源功能。TI 的集成式 TOLL GaN 器件的封裝與分立式 TOLL GaN 器件兼容，并為我們的客戶提供多種采購選擇。如圖 1 所示，您可以通過保持原理圖和布局不變，僅對元件進行微小更改，便能將 TI 的 TOLL 器件部署在與分立式器件相同的電路板上。
TI 和分立式 TOLL GaN 封裝的原理圖
TOLL 封裝憑借低寄生電感、緊湊尺寸與高效散熱的核心優勢，成為 GaN FET 的關鍵載體，對比傳統封裝減少了封裝空間與損耗，儲能系統等能源基礎設施的嚴苛需求。TI LMG3650 等集成化器件，將 GaN 功率級與驅動、保護功能深度整合，既降低了設計復雜度與系統成本，又進一步釋放了 TOLL 封裝的技術潛力。而 600W 單相循環換流器參考設計的優異表現，更印證了集成式 TOLL GaN 方案在功率密度與能效上的突出價值。設計中需結合拓撲類型平衡器件參數，且其兼容封裝的多源特性，也為規模化應用提供了靈活支撐，為高壓電源轉換領域的技術升級筑牢了根基。
