通過重新設計基于氮化鎵(GaN)場效應晶體管(FET)的IGBT和MOSFET解決方案，DRS優化的車輛逆變器性能使開關頻率提高了四倍，減少了體積和重量，同時實現了98.5%的效率。

在DRS，我們設定了一個目標，即設計出改進版的2kVI車輛逆變器。在開發過程中，我們比較了基于硅的IGBT和MOSFET解決方案與最近出現的常關型E-HEMT GaN器件的性能。本文描述了GaN器件如何使我們能夠改變設計思路，從而將開關頻率提高到四倍，并帶來顯著減小電感器體積的優勢。我們還能夠在較寬的工作范圍內實現98.5%的效率，從而減少整體冷卻系統的需求。最終，在相同成本下，我們能夠提供一個顯著更小、更輕的單元，并實現前所未有的高效能。

雙降壓和全橋逆變器拓撲

考慮了兩種常見的逆變器拓撲：雙降壓和全橋。圖1展示了使用基于硅的MOSFET和SiC二極管的雙降壓逆變器拓撲，而圖2展示了帶有GaN器件的標準全橋逆變器。

傳統的單相逆變器通常會使用全橋逆變器拓撲。在使用這種拓撲的傳統逆變器中，可以使用帶有快速并聯二極管的IGBT或硅MOSFET作為開關器件。由于其低成本和能夠最小化MOSFET所遇到的二極管恢復電流，IGBT解決方案在許多應用中很受歡迎。然而，IGBT在高頻下無法高效運行，也無法在極低導通損耗條件下工作，因為它們是結型器件，在導通時始終會表現出正向電壓降(或偏移)。

這限制了可以獲得的最小損耗。然而，如果采用硅MOSFET，則正向電壓降可以被一個可通過并聯更多器件逐步降低的電阻元素所替代。但在這種拓撲中，MOSFET的致命弱點是存在體二極管和相關的反向恢復電流，以及在器件強開關時強制換向相關導通體二極管所產生的損耗。總之，傳統拓撲僅使用硅技術，其最大可達頻率和效率受到限制。

在我們開始開發耐用的2kVI車輛逆變器時，識別出的最關鍵設計要求是效率。我們知道，為了開發出能夠在艱苦車輛應用中可靠運行的產品，它需要完全密封，并能夠在高溫下無需顯著氣流地工作。我們也不希望產品采用液冷，因為這將限制最終用戶部署產品的能力。這些設計限制要求產品具備盡可能高的效率。

在考慮這些限制以及當時晶體管技術的狀態時，我們選擇了雙降壓逆變器拓撲，采用硅MOSFET和SiC二極管作為開關元件。這種拓撲的功能與傳統全橋拓撲相同，但有效隔離了MOSFET體二極管，從而消除了限制效率的反向恢復損耗。我們在這個應用中選擇MOSFET而非IGBT，以便并聯MOSFET，從而降低開關電阻并減少器件中的損耗。該拓撲提供了非常好的性能，并在較寬的工作范圍內通常實現超過98.5%的效率。然而，這種高端效率的表現并不是沒有代價。正如兩個簡化的原理圖所示，雙降壓拓撲明顯更復雜，需要更多的電力組件，占用更多空間，成本也高于傳統解決方案。

盡管實現了超高的逆變器效率，我們在產品開發過程中遇到了一次重新評估開發計劃的機會，以對比近期的技術趨勢和產品發布。那時，顯然GaN器件是真正的解決方案。它們可靠且可用于本產品的開發。

因此，我們改變了開發計劃，使用最新的GaN器件與傳統的全橋拓撲。由于GaN器件不是結型器件，它們表現出與硅MOSFET相同的電阻特性，但額外的好處是排除了體二極管，從而在這種拓撲中實現高效率。通過使用GaN Systems的GS66508P器件，我們能夠以更少的復雜性和組件實現相同的超高效率條件，從而在更小的印刷電路板區域內打包電源階段。

IGBT與MOSFET與GaN：設計比較

以下是三種類型逆變器解決方案設計的比較總結：

1.基于硅IGBT或硅MOSFET的全橋逆變器

2.使用硅MOSFET和SiC二極管的雙降壓逆變器

3.使用GaN器件的全橋逆變器

設計1：IGBT或MOSFET全橋

這種逆變器解決方案可以以具有成本效益的方式實現，并且所需組件數量最少。然而，無法使用該解決方案達到目標效率。需要使用更大的熱管理方案來散發額外的熱量。

設計2：MOSFET雙降壓

達到了效率目標，因此可以使用更小的熱管理方案。然而，為了實現這種拓撲并將其推向超高效率范圍，需要更多的組件。在我們最初的實現中，每個開關使用了兩個并聯的MOSFET，每個二極管使用了兩個并聯的SiC二極管。這意味著需要總共16個半導體，此外，輸出電感器需要采用耦合電感設計，這比在全橋變體中使用的等效單匝電感更復雜且更大。額外并聯的MOSFET還需要在門驅動中增加額外的電路，以使這些器件能夠在并聯中最佳工作。

設計3：GaN全橋

圖3中展示的GaN技術使該拓撲能夠以較少的部件數量實現超高效率。在我們最新的實現中，每個開關只需要一個GaN器件，并且無需二極管即可實現目標性能。因此，只需要四個半導體和兩個更簡單的電感器。此外，GaN器件的開關速度遠快于硅器件，從而將開關頻率提高四倍，同時保持雙降壓逆變器的超高效率性能。在更高的頻率下，我們可以將輸出電感器和濾波電容的成本和體積降低一半，同時將容納半導體所需的面積降低四分之一。

即使考慮到GaN器件相對于硅器件的額外成本，以及GaN器件已經顯示出的價格走低趨勢，實現超高效率逆變器的成本實際上與基于Si/SIC的雙降壓逆變器相比，并沒有更高。

總結評論

在開發DRS 2kVI耐用型車輛逆變器的過程中，我們比較了傳統基于硅的IGBT和MOSFET解決方案與GaN Systems的GaN E-HEMT晶體管。正如表1所總結的，GaN E-HEMT晶體管明顯展現出優越的性能，同時在尺寸、效率和成本方面提供了額外的優勢。

除了耐用型車輛逆變器，其他產品也將受益于GaN器件的使用。任何需要雙極開關操作的應用，涉及反向導通二極管的情況，都可以通過應用GaN技術獲得良好效果。特別是對于任何需要雙向功率流的高功率、絕緣電力轉換階段，這些應用可以利用GaN晶體管，從而減少變壓器以及輸入和輸出濾波級的體積和重量，并消除反向導通二極管。