傳統(tǒng)的單相逆變器通常會(huì)使用全橋逆變器拓?fù)洹Ｔ谑褂眠@種拓?fù)涞膫鹘y(tǒng)逆變器中，可以使用帶有快速并聯(lián)二極管的IGBT或硅MOSFET作為開關(guān)器件。由于其低成本和能夠最小化MOSFET所遇到的二極管恢復(fù)電流，IGBT解決方案在許多應(yīng)用中很受歡迎。然而，IGBT在高頻下無法高效運(yùn)行，也無法在極低導(dǎo)通損耗條件下工作，因?yàn)樗鼈兪墙Y(jié)型器件，在導(dǎo)通時(shí)始終會(huì)表現(xiàn)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(gè)可通過并聯(lián)更多器件逐步降低的電阻元素所替代。但在這種拓?fù)渲?，MOSFET的致命弱點(diǎn)是存在體二極管和相關(guān)的反向恢復(fù)電流，以及在器件強(qiáng)開關(guān)時(shí)強(qiáng)制換向相關(guān)導(dǎo)通體二極管所產(chǎn)生的損耗?？傊?，傳統(tǒng)拓?fù)鋬H使用硅技術(shù)，其最大可達(dá)頻率和效率受到限制。

在我們開始開發(fā)耐用的2kVI車輛逆變器時(shí)，識(shí)別出的最關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求是效率。我們知道，為了開發(fā)出能夠在艱苦車輛應(yīng)用中可靠運(yùn)行的產(chǎn)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(chǎn)品采用液冷，因?yàn)檫@將限制最終用戶部署產(chǎn)品的能力。這些設(shè)計(jì)限制要求產(chǎn)品具備盡可能高的效率。

在考慮這些限制以及當(dāng)時(shí)晶體管技術(shù)的狀態(tài)時(shí)，我們選擇了雙降壓逆變器拓?fù)?，采用硅MOSFET和SiC二極管作為開關(guān)元件。這種拓?fù)涞墓δ芘c傳統(tǒng)全橋拓?fù)湎嗤行Ц綦x了MOSFET體二極管，從而消除了限制效率的反向恢復(fù)損耗。我們?cè)谶@個(gè)應(yīng)用中選擇MOSFET而非IGBT，以便并聯(lián)MOSFET，從而降低開關(guān)電阻并減少器件中的損耗。該拓?fù)涮峁┝朔浅：玫男阅?，并在較寬的工作范圍內(nèi)通常實(shí)現(xiàn)超過98.5%的效率。然而，這種高端效率的表現(xiàn)并不是沒有代價(jià)。正如兩個(gè)簡(jiǎn)化的原理圖所示，雙降壓拓?fù)涿黠@更復(fù)雜，需要更多的電力組件，占用更多空間，成本也高于傳統(tǒng)解決方案。

盡管實(shí)現(xiàn)了超高的逆變器效率，我們?cè)诋a(chǎn)品開發(fā)過程中遇到了一次重新評(píng)估開發(fā)計(jì)劃的機(jī)會(huì)，以對(duì)比近期的技術(shù)趨勢(shì)和產(chǎn)品發(fā)布。那時(shí)，顯然GaN器件是真正的解決方案。它們可靠且可用于本產(chǎn)品的開發(fā)。

因此，我們改變了開發(fā)計(jì)劃，使用最新的GaN器件與傳統(tǒng)的全橋拓?fù)?。由于GaN器件不是結(jié)型器件，它們表現(xiàn)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?fù)渲袑?shí)現(xiàn)高效率。通過使用GaN Systems的GS66508P器件，我們能夠以更少的復(fù)雜性和組件實(shí)現(xiàn)相同的超高效率條件，從而在更小的印刷電路板區(qū)域內(nèi)打包電源階段。

IGBT與MOSFET與GaN：設(shè)計(jì)比較

以下是三種類型逆變器解決方案設(shè)計(jì)的比較總結(jié)：

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(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)，并且所需組件數(shù)量最少。然而，無法使用該解決方案達(dá)到目標(biāo)效率。需要使用更大的熱管理方案來散發(fā)額外的熱量。

設(shè)計(jì)2：MOSFET雙降壓

達(dá)到了效率目標(biāo)，因此可以使用更小的熱管理方案。然而，為了實(shí)現(xiàn)這種拓?fù)洳⑵渫葡虺咝史秶?，需要更多的組件。在我們最初的實(shí)現(xiàn)中，每個(gè)開關(guān)使用了兩個(gè)并聯(lián)的MOSFET，每個(gè)二極管使用了兩個(gè)并聯(lián)的SiC二極管。這意味著需要總共16個(gè)半導(dǎo)體，此外，輸出電感器需要采用耦合電感設(shè)計(jì)，這比在全橋變體中使用的等效單匝電感更復(fù)雜且更大。額外并聯(lián)的MOSFET還需要在門驅(qū)動(dòng)中增加額外的電路，以使這些器件能夠在并聯(lián)中最佳工作。

設(shè)計(jì)3：GaN全橋

圖3中展示的GaN技術(shù)使該拓?fù)淠軌蛞暂^少的部件數(shù)量實(shí)現(xiàn)超高效率。在我們最新的實(shí)現(xiàn)中，每個(gè)開關(guān)只需要一個(gè)GaN器件，并且無需二極管即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能。因此，只需要四個(gè)半導(dǎo)體和兩個(gè)更簡(jiǎn)單的電感器。此外，GaN器件的開關(guān)速度遠(yuǎn)快于硅器件，從而將開關(guān)頻率提高四倍，同時(shí)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(shí)將容納半導(dǎo)體所需的面積降低四分之一。

即使考慮到GaN器件相對(duì)于硅器件的額外成本，以及GaN器件已經(jīng)顯示出的價(jià)格走低趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)超高效率逆變器的成本實(shí)際上與基于Si/SIC的雙降壓逆變器相比，并沒有更高。

總結(jié)評(píng)論

在開發(fā)DRS 2kVI耐用型車輛逆變器的過程中，我們比較了傳統(tǒng)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(jié)的，GaN E-HEMT晶體管明顯展現(xiàn)出優(yōu)越的性能，同時(shí)在尺寸、效率和成本方面提供了額外的優(yōu)勢(shì)。

除了耐用型車輛逆變器，其他產(chǎn)品也將受益于GaN器件的使用。任何需要雙極開關(guān)操作的應(yīng)用，涉及反向?qū)ǘO管的情況，都可以通過應(yīng)用GaN技術(shù)獲得良好效果。特別是對(duì)于任何需要雙向功率流的高功率、絕緣電力轉(zhuǎn)換階段，這些應(yīng)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(jí)的體積和重量，并消除反向?qū)ǘO管。