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

在DRS，我們設(shè)定了一個目標，即設(shè)計出改進版的2kVI車輛逆變器。在開發(fā)過程中，我們比較了基于硅的IGBT和MOSFET解決方案與最近出現(xiàn)的常關(guān)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(shè)計思路，從而將開關(guān)頻率提高到四倍，并帶來顯著減小電感器體積的優(yōu)勢。我們還能夠在較寬的工作范圍內(nèi)實現(xiàn)98.5%的效率，從而減少整體冷卻系統(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(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(jié)型器件，在導通時始終會表現(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。但在這種拓撲中，MOSFET的致命弱點是存在體二極管和相關(guān)的反向恢復電流，以及在器件強開關(guān)時強制換向相關(guān)導通體二極管所產(chǎn)生的損耗?？傊?，傳統(tǒng)拓撲僅使用硅技術(shù)，其最大可達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，識別出的最關(guān)鍵設(shè)計要求是效率。我們知道，為了開發(fā)出能夠在艱苦車輛應用中可靠運行的產(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，因為這將限制最終用戶部署產(chǎn)品的能力。這些設(shè)計限制要求產(chǎn)品具備盡可能高的效率。

在考慮這些限制以及當時晶體管技術(shù)的狀態(tài)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(guān)元件。這種拓撲的功能與傳統(tǒng)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(lián)MOSFET，從而降低開關(guān)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(nèi)通常實現(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。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(tǒng)解決方案。

盡管實現(xiàn)了超高的逆變器效率，我們在產(chǎn)品開發(fā)過程中遇到了一次重新評估開發(fā)計劃的機會，以對比近期的技術(shù)趨勢和產(chǎn)品發(fā)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(chǎn)品的開發(fā)。

因此，我們改變了開發(fā)計劃，使用最新的GaN器件與傳統(tǒng)的全橋拓撲。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，從而在這種拓撲中實現(xiàn)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(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)計比較

以下是三種類型逆變器解決方案設(shè)計的比較總結(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(xiàn)，并且所需組件數(shù)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(fā)額外的熱量。

設(shè)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(xiàn)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(xiàn)中，每個開關(guān)使用了兩個并聯(lián)的MOSFET，每個二極管使用了兩個并聯(lián)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(shè)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(lián)的MOSFET還需要在門驅(qū)動中增加額外的電路，以使這些器件能夠在并聯(lián)中最佳工作。

設(shè)計3：GaN全橋

圖3中展示的GaN技術(shù)使該拓撲能夠以較少的部件數(shù)量實現(xiàn)超高效率。在我們最新的實現(xiàn)中，每個開關(guān)只需要一個GaN器件，并且無需二極管即可實現(xiàn)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(guān)速度遠快于硅器件，從而將開關(guān)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(jīng)顯示出的價格走低趨勢，實現(xiàn)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(jié)評論

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，同時在尺寸、效率和成本方面提供了額外的優(yōu)勢。

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)操作的應用，涉及反向?qū)ǘO管的情況，都可以通過應用GaN技術(shù)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(zhuǎn)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?qū)ǘO管。