Si器件和GaN器件实现优化逆变器方案的性能比较

DRS通过采用GaN FET器件重新设计之前基于IGBT和MOSFET的车载逆变器方案，优化了该逆变器的整体性能，增加了4倍的开关频率，同时减小了尺寸和重量，更是实现了98.5%的高效率。

作者：DRS - Consolidated Controls, Inc.技术总监Scott Ramsay

DRS致力于进一步改进我们的2kVI车载逆变器。在开发过程中，我们比较了IGBT和MOSFET等Si器件方案与最近出现的常关型GaN E-HEMT器件方案的性能。本文介绍了如何用GaN器件进一步改进我们的设计方案，从而获得4倍的开关频率、电感器体积大幅减小、能够在很宽的工作范围提供高达98.5%的效率及整体冷却系统体积有效减小等性能优势。在成本相同情况下，我们能够提供一个前所未有的具有更高效率的且更小更轻的逆变器单元。

拓扑结构

关于逆变器拓扑结构，我们主要考虑了常见的双通道降压（Dual Buck）拓扑和全桥逆变拓扑。图1为采用Si MOSFET和SiC二极管的双通道降压逆变拓扑结构，图2则为采用GaN器件构成的标准全桥逆变拓扑结构。

图1：双通道降压逆变器（Si MOSFET和SiC二极管)

图2：采用GaN器件的全桥逆变器

全桥拓扑结构在传统单相逆变器被普遍使用，这种传统逆变器普遍采用IGBT反并联快速二极管或者Si MOSFET作为开关器件。由于成本较低和二极管反向恢复电流最小，IGBT方案被普遍应用。由于IGBT为结器件，不能在高开关频率时高效运行，且IGBT固有的导通压降（或偏移）特性使其无法实现低导通损耗，从而限制其损耗进一步减小，因此MOSFET方案也有着广泛的应用。

如果使用Si MOSFET，IGBT正向压降特性被MOSFET电阻特性所取代，这样可以通过并联更多的MOSFET器件使导通电阻减小。在这种方案中，MOSFET的最大缺陷是其体二极管和相关反向恢复电流，以及体二极管充当器件硬开关并强制整流时导通损耗等的存在。总而言之，采用Si器件限制了传统逆变拓扑结构实现更高频率和更高效率。

在着手开发加强型2kVI车载逆变器时，我们最主要目标就是进一步提高逆变器的效率。一个可以在恶劣的汽车应用中可靠运行的产品，应该具有在高温、且没有明显空气流动的全密封空间中正常工作的机能。该产品没有采用液体冷却的方式，因为这将影响最终用户对产品的最终规划，这就要求产品在各种设计限制下实现实际可达到的最高效率。考虑到这些限制和当前半导体技术现状，我们设计了采用Si MOSFET和SiC二极管作为开关元件的双通道降压逆变拓扑结构。这个拓扑结构与传统的全桥拓扑结构功能相同，且能够有效地消除MOSFET体二极管效应，从而消除体二极管反向恢复损耗对效率的影响。在这个设计中，我们用MOSFET器件替代了IGBT器件，并通过MOSFET并联的方式降低导通电阻，进一步降低器件损耗，因而在很宽的工作范围内可以获得98.5%以上的效率。然而效率并不是没有提升的空间，从前面的两个简单的示意图可以看出，双通道降压拓扑结构更为复杂，需要更多的功率器件，占据了更多的空间，成本也比传统解决方案更高。

尽管我们的逆变器产品实现了很高的效率，但是我们仍然到了一个需要重新评估产品开发计划以跟上最新技术发展及产品发布的时间节点。很明显GaN器件是我们绝佳选择，它们是这个产品开发的可靠且可选方案。于是我们改变了我们的开发计划，采用了最新的GaN器件与传统全桥拓扑结构结合。由于GaN器件不是结器件，其与Si MOSFET具有相同的电阻特性，且具有额外的体二极管的优势，从而使这个拓扑结构具有更高效率。通过采用GaN Systems的GS66508P器件，我们能够用更简化的结构和更少的元件数量实现相同的高效率，从而将功率级安装在较小的PCB面积内。

设计对比——IGBT方案、MOSFET方案及GaN器件方案

我们对三种不同逆变器方案进行了对比总结：

• 采用Si IGBT或Si MOSFET的全桥逆变器

• 采用Si MOSFET和SiC二极管的双通道降压逆变器

• 采用GaN器件的全桥逆变器

设计1：Si IGBT/MOSFET全桥逆变器方案——由于需要的元件数量最少，这个方案可以获得很好成本效益，但是其效率不能满足我们需求，同时这个方案也需要使用一个更大的散热器对其进行额外的散热。

设计2：Si MOSFET双通道降压方案——效率目标实现且散热器较小，然而采用这个拓扑结构实现超高效率范围需要增加很多器件。在早期实验中，我们每个开关单元均使用2个MOSFET并联，同时每个二极管单元并联2个SiC二极管，这意味着其总共需要16个功率器件。此外，由于其输出电感器需要采用耦合设计，因此比全桥逆变器等效的单绕组电感更为复杂且体积更大。同时并联的MOSFET也需要在栅极驱动器中增加额外的相关电路，才可以实现器件并联的优势。

图3：使用GaN器件的2kVI全桥车载逆变器

设计3：GaN器件全桥逆变方案——如图3所示，GaN器件技术使这个拓扑结构可以较少的元件数量来实现超高的效率。在我们最新的样机中，每个开关单元只需要1个GaN器件（不需要反并联二极管），就可以获得目标性能，总共只需要4个功率器件和2个简单电感器就可以实现我们的产品设计目标。此外，GaN器件与Si器件相比，开关速度更快且开关频率提高4倍，使该方案保持了与双通道降压逆变器相同的超高效率。与传统方案相比较，该方案在更高频率时可减少近2倍的输出电感器/滤波电容器的成本和尺寸，这个空间可容纳近4倍的功率器件数量。

表1：逆变器拓扑结构中Si器件和GaN器件的性能比较

虽然与Si器件相比增加了器件成本，但是随着GaN器件的价格不断下降，采用GaN器件的全桥拓扑所实现的超高效率逆变器的成本不会比Si器件/SiC器件所构成的双通道降压逆变器更高。

总结和评论

在DRS 2kVI加强型车载逆变器的开发期间，我们详细对比了传统Si IGBT/MOSFET方案与GaN Systems的GaN E-HEMT方案。如表1所示，GaN E-HEMT具有更优异的性能，其在尺寸、效率和成本等方面均具有优势。

除了加强型车载逆变器，我们的其他产品也将从GaN器件的应用中获益，其他需要采用反并联二极管的双极性开关应用也都将通过采用GaN器件而获益。具体来说，GaN器件适用于任何高功率、电气隔离的电源变换系统，特别是那些需要双向功率流动的应用，这些应用通过可以采用GaN晶体管减少变压器及输入输出滤波器的尺寸和重量，并将反并联二极管去掉。

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