據(jù)估計，化石燃料目前占全球發(fā)電總量的三分之二，而太陽能和風能僅占發(fā)電量的 7%。然而，要實現(xiàn)凈零碳排放的目標，就需要加速從化石燃料轉向可再生能源。提高可再生能源采用率的基礎是降低每瓦轉換成本、增加儲能容量和提高能源轉換效率。隨著傳統(tǒng)硅電源開關達到極限，氮化鎵 （GaN） 將在所有這些領域發(fā)揮越來越重要的作用。

太陽能和存儲

圖 1 中住宅太陽能系統(tǒng)的簡化圖像 顯示了太陽能電池板、儲能系統(tǒng) （ESS） 和整個家庭的單相交流電源分配。此類住宅系統(tǒng)的容量通常在 3 kW 至 10 kW 之間，目前約占太陽能發(fā)電市場總量的 25%，其中包括太陽能發(fā)電場和工業(yè)光伏 （PV） 逆變器。請注意，圖 1中所示的電動汽車 進一步增加了備用電池/儲能容量，具有雙向車載充電功能。

圖 1：住宅太陽能發(fā)電系統(tǒng)

降低此類系統(tǒng)的每瓦成本需要：

將光伏電池板產(chǎn)生的直流電源轉換為交流電源的效率提高

用于存儲和釋放該能量的解決方案的功率密度和性能得到改善

在這兩種情況下，逆變器設計都是應對挑戰(zhàn)的關鍵。

在 PV 和 ESS 設計中，逆變器通過切換 DC 輸入，從面板或電池提供的可變 DC 電源產(chǎn)生穩(wěn)定的 AC 電源。逆變器通常基于 H 橋電源架構，關鍵組件是功率半導體、用于濾波的無源組件和用于平滑交流正弦波形的磁性元件。

直到最近，逆變器都使用基于硅技術的 MOSFET 和 IGBT 等功率半導體，但為了優(yōu)化效率和增加功率密度，需要提高逆變器開關頻率。這反過來又要求功率開關實現(xiàn)低開關損耗——這是硅功率開關的主要問題。GaN 在高開關頻率下實現(xiàn)超低開關損耗，因此是系統(tǒng)效率和功率密度的絕佳選擇。使用 GaN 功率晶體管的可再生能源系統(tǒng)不會在轉換過程中不必要地浪費太陽能。

選擇氮化鎵

GaN 對太陽能設計很重要，因為與傳統(tǒng)硅相比，它能夠提供顯著改進的性能，同時減少實現(xiàn)該性能所需的能量和物理空間。

在器件級方面，根據(jù)實現(xiàn)的不同，從歸一化導通電阻 （R DS（ on ） ） 和柵極電荷 （Q G ）的乘積得出的品質(zhì)因數(shù)對于 GaN 來說可能比硅好 5 到 20 倍。通過使用更小的晶體管和更短的電流路徑，實現(xiàn)了超低電阻和電容，并且開關速度可以提高 100 倍。

除了確保更高的系統(tǒng)性能外，改進的開關速度還可以顯著減小無源和磁性組件的尺寸（并且在某些應用中可以取消）。使用 GaN 時，這種無源和磁性元件的減少進一步降低了系統(tǒng)成本。

選擇集成氮化鎵

在評估用于太陽能應用的 GaN 技術時，最重要的考慮因素之一是功率晶體管中內(nèi)置的功能和保護，而不是需要添加多少電路與附加設備。目標是設計一個“理想開關”，結合 GaN 的優(yōu)點并使器件易于實施。GaN 器件的保護是另一個級別的性能優(yōu)勢。

“分立”GaN 功率晶體管，例如 GaN 增強型高電子遷移率晶體管 （E-HEMT），通常執(zhí)行單一功能，因此必須與多個其他電路組件一起實施以實現(xiàn)功能系統(tǒng)。雖然 GaN E-HEMT 是將 GaN 的開關性能引入電源系統(tǒng)的早期嘗試，但由于系統(tǒng)設計復雜且在高功率系統(tǒng)中性能不佳，它們未能實現(xiàn)主流采用。此外，GaN E-HEMT 分立器件沒有保護功能，并且極易受到靜電放電 （ESD） 的影響。可以實施外部電路來保護 GaN E-HEMT 的柵極，但這會引入限速寄生和有損元素，降低 GaN 的潛在性能。

集成 GaN 電源 IC

另一方面，集成 GaN 電源 IC 將多種電力電子功能結合到單個 GaN 芯片上，并提供單個設備所需的最關鍵功能。因此，除了優(yōu)化太陽能系統(tǒng)效率和功率容量外，集成 GaN 電源 IC 還降低了系統(tǒng)設計的復雜性、成本和尺寸（與 GaN E-HEMT 分立設計相比）。GaN 功率 IC 的保護特性和 ESD 穩(wěn)健性進一步提升了其作為功率晶體管的首選地位。

最新的 GaN 功率 IC 單片集成了 GaN 功率 FET、柵極驅(qū)動和保護功能，以高速控制和保護 GaN 功率開關。

圖 2：集成 GaNFast 電源 IC

這些 GaNFast 器件由 Navitas 開發(fā)，基于橫向 650-V e-mode GaN-on-Si 技術，并使用該公司專有的 AllGaN 工藝設計套件進行開發(fā)。GaNFast IC 本質(zhì)上是易于使用、高速、高性能、“數(shù)字輸入、電源輸出”的構建塊，需要最少的附加電路。除了簡化設計之外，集成還可以實現(xiàn)幾乎零關斷損耗，因為柵極驅(qū)動環(huán)路的阻抗基本上為零。同時，可以針對目標太陽能應用的特定要求來控制和定制開啟性能。GaNFast 產(chǎn)品組合適用于額定功率為 350 W 至 10 kW 的太陽能實施方案。

與大多數(shù)大功率轉換應用一樣，太陽能電池板和存儲逆變器應用的設計人員面臨的挑戰(zhàn)之一是有效的熱管理，這樣任何多余的熱量都不會影響性能或使用壽命。基于 GaN 的解決方案的高效率有助于簡化這一挑戰(zhàn)，但這可能會被增加的功率密度所抵消，并且不一定完全消除它。為此，Navitas 創(chuàng)建了其 GaN 功率 IC 的熱增強版本。這些器件包含一個大型冷卻墊，支持頂部和底部冷卻，并在使用電流檢測電阻器時確保增強的熱性能。

最近，Navitas 發(fā)布了集成精密傳感的集成電源 IC，將提高太陽能應用的效率、自主性和可靠性，并進一步降低每瓦成本。當與集成驅(qū)動器相結合時，專有的片上 GaNSense 技術可對系統(tǒng)電流、電壓和溫度進行精確和可配置的傳感，使 GaN IC 不僅能夠檢測高風險條件，而且可以根據(jù)該信息采取行動，從而保護 IC和系統(tǒng)免受任何故障條件的影響。結果是一個非常堅固、保護良好且高度可靠的設備，無需外部監(jiān)控組件，這些組件傳統(tǒng)上會導致?lián)p耗、設計復雜性和成本。

可靠性

在采用任何新技術時，客戶尋求長期可靠性保證是很自然的。Navitas 的質(zhì)量方法基于六個基本要素：

通過定義具有設計質(zhì)量和可靠性的產(chǎn)品來超越客戶的期望。

與客戶合作，共同開發(fā)質(zhì)量優(yōu)化的系統(tǒng)解決方案。

與主要供應商合作，共同開發(fā)確保質(zhì)量和可靠性的流程。

開發(fā)針對新技術和目標應用進行優(yōu)化的關鍵和專有測試技術。

以持續(xù)的風險識別和緩解為重點，進行持續(xù)而詳盡的資格認證、驗證和監(jiān)控。

逐個客戶、逐個應用程序和逐個市場地展示基準可靠性。

質(zhì)量至關重要。截至 2021 年 10 月，超過 3000 萬個 GaNFast 功率 IC 出貨時報告的 GaN 場故障為零。自 2015 年以來，該公司一直與主要的太陽能原始設備制造商合作，以展示特定應用的可靠性。其中一家公司 Enphase 是全球領先的基于微型逆變器的太陽能加儲能系統(tǒng)供應商，最近評論說 “這是硅的終點” ，并且“氮化鎵在重要系統(tǒng)中提供十倍的開關頻率優(yōu)勢成本優(yōu)勢 ［并且］ 因此針對 Enphase 微型逆變器應用進行了優(yōu)化。”

圖 3：納維質(zhì)量理念的六個關鍵要素

未來

展望未來，GaN 將在實現(xiàn)加速采用太陽能的目標方面發(fā)揮關鍵作用。Navitas 估計，住宅太陽能應用中的 GaN 芯片市場每年可達到 10 億美元，并且 GaN 電源 IC 有可能將逆變器成本降低多達 25%，同時節(jié)省 40% 或更多的能源。

圖 4：GaN 可降低逆變器成本和功耗。

每瓦成本的這些改進將使住宅客戶的太陽能投資回收期（收回硬件安裝成本所需的時間）減少約 10%。

圖 5：GaNFast IC 為 PV 逆變器和 ESS 提供解決方案。