【导读】太阳能发电系统的发展持续攀升，而光伏逆变器的性能表现，正成为行业技术的核心。这类设备的核心设计目标，尽可能利用太阳能资源。在众多技术突破中，氮化镓（GaN）材料的应用堪称关键创新。当下，氮化镓正加速替代传统的硅（Si）基器件及绝缘栅双极晶体管（IGBT）系统，成为光伏逆变器领域的新一代核心元件。
比较 GaN、SiC 和 IGBT
GaN 凭借其每个裸片区更优的电阻（Rsp）、更低的输入输出电容（Ciss 和 Coss）以及零反向恢复电荷等特性，显著提升了功率转换系统的性能。这些关键属性，对于开关频率提升场景下的导通损耗与开关损耗控制至关重要；而损耗的降低又会进一步缩减无源元件的体积，助力功率转换系统实现轻量化与小型化的设计目标。
为充分释放 GaN 的技术潜力，科研人员正围绕制造工艺优化、Rsp 性能提升及封装技术升级等方向展开深入攻关。以封装方案为例，如表 1 所示，相较于传统的双 decawatt 封装（D2PAK）、晶体管封装轮廓（TO）-247 等表面贴装封装，** 晶体管无引线封装（TOLL）** 在热传导性能和寄生效应抑制方面表现更为突出，可有效保障 GaN 器件在高负荷工况下的稳定性与能效水平。
表 1 TO-247、D2PAK、TOLL 封装中的 GaN 器件热阻值
TOLL 封装简介
作为无引线封装，TOLL 封装的寄生电感非常低，因而开关速度更快（减少开关损耗）、压摆率更高并且电磁干扰更低。TOLL 封装的尺寸为 9.9mm x 11.68mm x 2.3mm，显著小于 TO-247 的封装尺寸 15.94mm x 20.95mm x 5.02mm，如此以来，印刷电路板上可利用的面积会增加 70%。经过优化的 GaN 工艺使 GaN 场效应晶体管 (FET) 具有极低的漏源导通电阻 (RDS (on))，适用于高功率应用。TOLL 封装的尺寸紧凑，可实现更快的热损耗并提高热效率。
将 GaN FET 与驱动器集成在一起，可进一步提高效率和降低成本，有助于减少栅极电感环路数量，并在功率级中嵌入过流和过热保护功能。通过集成可以更好地利用 TOLL 封装的优势，从而进一步降低寄生效应和系统成本。TI 的 LMG3650 等器件结合了集成和高效散热封装的优势，可用于高压电源转换系统。在高压电源转换系统中，热性能是主要考虑因素，尤其在有源冷却面临挑战的情况下更应如此。
TOLL 在能源基础设施方面的应用
鉴于商业和住宅环境的需求，太阳能微型逆变器、串式逆变器和储能系统都具有对效率、尺寸和成本敏感的功率转换级。
在太阳能应用中，逆变器输出通常与交流电网相连接，FET 的额定电压需达到 650V。此外，这些逆变器应尽可能紧凑，以便灵活地应用于住宅或商业系统。高压 GaN FET 的额定绝对最大电压为 800V，并能增加开关频率，缩小无源器件的尺寸，从而满足高电压和尺寸两项系统要求。TOLL 封装具有高效散热特性，适用于系统环境温度高于室温且有效热损耗至关重要的太阳能应用中。
LMG3650 中的集成式功率级提供过热保护、过流保护和欠压锁定等保护功能，无需外部保护电路，从而降低设计复杂性和缩小尺寸。它具有零电压检测和过零检测等高级功能，可优化死区时间并降低损耗，还配有 5V 低压降稳压器，为驱动任何辅助电路输出电流源。这些特性有助于优化能量转换系统的性能和成本。
基于 GaN 的 600W 单相循环换流器参考设计具有循环换流器拓扑，在高压侧使用 LMG3650，在低压侧使用 LMG2100。该参考设计展示了集成式 GaN 器件的潜力，该器件的功率密度为 640W/L，峰值效率为 96.1%，并可在高达 600kHz 的开关频率下运行。
使用 TOLL 器件进行设计
为您的设计选择合适的 GaN 器件是通过降低开关和传导损耗来提高系统性能的必要条件。使用 RDS (on) 较低的器件可能不是提高效率的一站式解决方案，因为它需要较大的 GaN 芯片，这会增加输出电容，进而增加开关损耗和成本。
在硬开关拓扑中，具备较高 Coss 的低 RDS (on) 会致使开关损耗大于导通损耗，而在软开关拓扑中，低 RDS (on) 能提高效率并且使开关和导通损耗非常低。
设计人员需要关注的另一点是多源功能。TI 的集成式 TOLL GaN 器件的封装与分立式 TOLL GaN 器件兼容，并为我们的客户提供多种采购选择。如图 1 所示，您可以通过保持原理图和布局不变，仅对元件进行微小更改，便能将 TI 的 TOLL 器件部署在与分立式器件相同的电路板上。
TI 和分立式 TOLL GaN 封装的原理图
TOLL 封装凭借低寄生电感、紧凑尺寸与高效散热的核心优势，成为 GaN FET 的关键载体，对比传统封装减少了封装空间与损耗，储能系统等能源基础设施的严苛需求。TI LMG3650 等集成化器件，将 GaN 功率级与驱动、保护功能深度整合，既降低了设计复杂度与系统成本，又进一步释放了 TOLL 封装的技术潜力。而 600W 单相循环换流器参考设计的优异表现，更印证了集成式 TOLL GaN 方案在功率密度与能效上的突出价值。设计中需结合拓扑类型平衡器件参数，且其兼容封装的多源特性，也为规模化应用提供了灵活支撑，为高压电源转换领域的技术升级筑牢了根基。
