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GaN是双向逆变器差异化竞争的最佳选择

来源:电子工程专辑发布时间:2022-11-18

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近几年，随着自驾游、户外露营以及应急电源等需求的增长，便携式储能正迎来新的发展风口。11月11日，在2022国际集成电路展览会暨研讨会(IIC Shenzhen)高效电源管理及功率器件论坛上，珠海镓未来科技有限公司(以下简称：镓未来科技)胡宗波博士以“GaN双向逆变器的设计和应用”为主题，详细介绍了便携式储能发展趋势以及镓未来科技氮化镓双向逆变器的设计和应用优势。

镓未来科技胡宗波博士

便携式储能发展趋势

在疫情的影响下，最近几年很多行业都受到了比较大的影响，但也出现了一些持续增长的行业，比如储能行业。作为一个细分应用领域，储能行业主要分为电站侧的储能、用户侧的储能，其中便携式储能成为家用消费端比较火热的应用产品。

数据显示，目前全球排前5的储能户外电源企业中有4家都是中国的品牌，比如华宝新能、德兰明海、正浩创新、安克创新。其中，华宝新能市场占比最大，其2021年产量为83.5万台，其次是正浩科技、德兰明海和安克创新。

胡宗波表示，便携式储能一个比较形象的理解是一个大号的充电宝，其具有安全性，便携性、稳定性以及环保性，同时其提供AC、DC、Type-C、USB、PD等多种接口，可以满足绝大部分消费电子设备的供电需求。

从便携式储能应用场景来看，主要分为两类：一类是针对户外休闲娱乐，比如徒步、露营、钓鱼、骑行、房车、旅行等，主要应用市场是在中国和美国;二类是应急备灾，主要应对自然灾害或突发情况对于电力的需求，其中日本是应急备灾应用的主要市场，同时在俄乌冲突背景下欧洲对便携式储能也有非常旺盛的需求。

胡宗波介绍，便携式储能核心装置是双向逆变器，其包括电池PACK、BMS、逆变器、输出电路板、充电器、MPPT等。他也表示，便携式储能正呈现逆变器和充电器合二为一的发展趋势，即双向逆变器PCS，其不仅节省了成本、空间和重量，而且充电功率更大，进一步提升了用户体验。

为什么氮化镓能脱颖而出?

那么，双向逆变器采用什么样的拓扑架构?胡宗波介绍，DC侧采用全谐振软开关双全桥LLC拓扑，Lm_H构建升压放电模式的谐振网络，可以提升增益。AC侧采用图腾柱无桥PFC，主要特性为：一是拓扑结构简单，元器件少，真正无整流桥，转换效率高，能量可双向流动;二是Q1/Q2为高频管，首选GaN;Q1/Q2始终以开关频率互补导通;三是Q3/Q4为工频管，一般为普通 Si MOSFET;Q3/Q4始终以工频互补导通;四是过零点容易造成共模干扰及电流尖峰，控制时序需做特殊处理。

在以上拓扑架构下，为什么氮化镓是个比较好的解决方案?胡宗波表示，“从不同的维度相比较，在工作频率上，IGBT常规工作范围主要在中低频，比如在20kHz左右，碳化硅在50kHz左右，但氮化镓至少可以跑到65kHz，甚至我们可以做到100 kHz -120kHz。在转换效率上，在2000瓦测试条件下，其实氮化镓的转换效率比碳化硅还要高0.2%，并且明显高过IGBT转换效率。”

通过对IGBT、SiC Mosfet、GaNext GaN三者对比，我们可看出，GaNext GaN在工作频率、转换效率、Vgs_th下限、典型Vgs、Tj、Qrr等维度上均有显著优势，即使对比SiC Mosfet，其也具有无需负压关断、驱动电压更低、驱动损耗更小等优势。同时，在价格上，IGBT是最低的，而SiC从其晶圆的生成、切割以及封装测试等，其价格明显高于GaN，而GaN是一个成本适中的材料。另外，GaN也不像IGBT需要并联一个SBD，因而可以降低续流损耗，提升效率。

由此可见，GaN是双向逆变器市场营销差异化的最佳选择。胡宗波认为，便携式储能的后来者，要想在激烈竞争的市场环境下脱颖而出，可以从两方面入手：一是新型电池的技术——半固态的电池或者全固态的电池，其能量密度提高30%-50%，具有更轻量、容量更大的特点，不过价格也会稍微贵一点;二是差异化双向逆变器技术——GaN Inside，也就是氮化镓的双向逆变器的技术。

其中，GaN双向逆变器主要优势体现在：1. 充电高效率，充电节能5%;2.逆变高效率，逆变时间延长5%;3.高频高功率密度，磁性器件重量减少40%，重量轻易便携;4. 高效率，满足便携无风扇设计、IP54防水设计，还可以导冷。

为什么选择GaNext GaN器件?

当前，氮化镓已经不再是陌生的技术，特别是从2018年开始，氮化镓在PD快充中引领了一波消费浪潮。但实际上，氮化镓已经超出了PD快充这种小功率消费类应用范围，未来还将应用拓展到千瓦以上。

胡宗波表示，GaNext 是 GaN Based PCS 双向逆变器的首选供应商。对比E-mode GaN和GaNext GaN两种不同的氮化镓的技术路线，在Vgs_th下限上，E-mode GaN为1.2V，GaNext GaN为3V,硬开关桥式电路E-mode GaN容易引起直通;在Vgs上限上，E-mode GaN为7V，GaNext GaN为20V，硬开关高频大功率E-mode GaN容易失效;E-mode GaN通常需要-3V电压关断，整个驱动电路相对更复杂;E-mode GaN并联SBD降低了续流损耗，但增加了开关损耗、成本和PCB空间;E-mode GaN主要涵盖中小功率应用。他也指出，镓未来科技氮化镓器件对标碳化硅且有替代料，因而从产业链安全的角度，该技术路线能保证持续的交付。

在氮化镓器件设计上，胡宗波介绍，镓未来科技采用一种紧凑级联型氮化镓器件设计技术，保证了器件应用的安全性，可以大大降低在高频硬开关情况下的失效风险。同时，该设计die-on-die堆叠的方式，通过低压Si +高压GaN集成，可实现高稳定性、高性能、高容量的可制造性等诸多特点。