光伏微型逆變器，GaN的新戰(zhàn)場

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/梁浩斌）GaN作為第三代半導(dǎo)體，已經(jīng)在消費電子電源，充電器等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。GaN的高頻特性，能夠幫助縮小電源體積，同時提高轉(zhuǎn)換效率，因此在很多領(lǐng)域包括汽車、光伏等應(yīng)用中也有很大的市場空間。尤其是光伏應(yīng)用的微型逆變器，在近幾年隨著GaN廠商積極推出相關(guān)方案以及產(chǎn)品，已經(jīng)在市場上取得一定成功。

GaN在光伏系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢

近年來，微型逆變器市場呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，當(dāng)然這也是得益于光伏發(fā)電等清潔能源的普及。微型逆變器可以將光伏面板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)或家用的交流電，能夠直接接入電網(wǎng)或家庭中。與傳統(tǒng)組串變器相比，它具有提高系統(tǒng)效率、安全性和靈活性的優(yōu)勢。

微型逆變器的主要作用除了將直流電轉(zhuǎn)換為交流電外，還能針對每塊光伏面板進行單獨的最大功率點跟蹤（MPPT），保障光伏系統(tǒng)的各個單元都運行在最佳狀態(tài)，從而提高整體光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。

一般來說，微型逆變器與光伏電池是安裝在一起的，由于微型逆變器體積較小，且支持熱插拔，用戶使用就較為靈活，可以根據(jù)需求來自行擴展系統(tǒng)功率。且由于大型光伏系統(tǒng)中存在多個微型逆變器，所以單個逆變器的出現(xiàn)問題也不會影響到整體系統(tǒng)工作。

在安全性方面，微型逆變器的優(yōu)勢同樣明顯。由于每個微型逆變器對應(yīng)的光伏面板數(shù)量較少，因此工作在較低的直流電壓下，減少了高壓電擊的風(fēng)險，提升了系統(tǒng)的整體安全性。高頻變壓器的使用進一步實現(xiàn)了電池板與電網(wǎng)之間的電氣隔離，增強了系統(tǒng)的安全保護。

那么從這些描述來看，GaN作為寬禁帶半導(dǎo)體，GaN的功率器件用于微型逆變器就非常合適。首先是GaN功率器件高頻特性能夠大幅提高整體微型逆變器的功率密度，其次更低的導(dǎo)通損耗，能夠提高轉(zhuǎn)換效率，降低損耗，同時提高系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。

比如在相同的結(jié)面積情況下，GaN的導(dǎo)通電阻僅有5mΩ/cm2, 硅的導(dǎo)通電阻為10mΩ/cm2。

而在功率密度上，以O(shè)CB為例，使用GaN的OBC方案能夠比SiC方案尺寸縮小60%，同時還實現(xiàn)比SiC高62%的開關(guān)頻率，因此能相比SiC擁有更高的功率密度和轉(zhuǎn)換效率。

因此，早在2022年，德國光伏企業(yè)SolarnativeEPC就在旗下新型微型逆變器中采用了EPC的GaN器件，而這款逆變器據(jù)稱是當(dāng)時全球最小的逆變器，尺寸僅23.9mm x 23.2mm x 404mm，功率密度高達1.6kW/L。

GaN廠商布局光伏微型逆變器

在光伏系統(tǒng)上，去年8月，功率GaN廠商Transphorm宣布，在大恒能源全球首個全集成化微型逆變器光伏系統(tǒng)上使用了Transphorm的GaN FET器件。大恒能源在SolarUnits產(chǎn)品線（DC-DC和DC-AC）中使用了Transphorm的150mΩ和70mΩ GaN FET器件。

根據(jù)Transphorm提供的數(shù)據(jù)，GaN在光伏微型逆變器應(yīng)用領(lǐng)域的潛在市場規(guī)模超過5億美元，這也吸引了更多廠商開始開拓GaN在光伏微型逆變器領(lǐng)域的市場應(yīng)用。

貝尼電氣在2022年就展示了2800W四路微型逆變器，采用了GaN技術(shù)，轉(zhuǎn)換效率高達97.5%，可連接4個面板，并通過監(jiān)控每個模塊的發(fā)電量實現(xiàn)模塊級維護和管理。

在GaN應(yīng)用在光伏微型逆變器中時，需要考慮到功率晶體管中內(nèi)置的功能和保護，而納微半導(dǎo)體的解決方案是，通過將多種電力電子功能，包括柵極驅(qū)動、保護功能、高速控制、保護GaN功率開關(guān)等集成到單個GaN芯片中，即集成GaN電源IC。與分立GaN E-HEMT相比，GaN電源IC能夠降低系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，以及降低成本和尺寸。

目前納微半導(dǎo)體的GaNFast系列的GaN芯片產(chǎn)品組合可以適用于額定功率為 350 W 至 10 kW的光伏微型逆變器方案中。同時還提供集成精密傳感的GaN 電源IC，幫助提高光伏應(yīng)用的效率和可靠性，降低每瓦成本。

英諾賽科去年8月中標中碳科技(洛陽)有限公司單相微型逆變器采購項目，作為功率GaN廠商，英諾賽科也在持續(xù)拓展GaN在光伏微型逆變器的應(yīng)用。英諾賽科開發(fā)了2kW微型逆變器方案，采用Flyback+H-bridge Inverter結(jié)構(gòu)，搭配使用了150V GaN和650V GaN，前者在導(dǎo)通損耗和驅(qū)動損耗方面具備顯著優(yōu)勢，后者還實現(xiàn)了良好的散熱效果。相比傳統(tǒng)Si方案，2kW微逆體積減小約20%，功率器件損耗減小35%，顯著提升了系統(tǒng)性能和功率密度，更加適用于屋頂光伏陣列的模塊化設(shè)計。

小結(jié)：

目前，功率GaN器件在光伏微型逆變器上已經(jīng)實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。由于光伏微逆上應(yīng)用GaN技術(shù)能夠帶來小型化、高效率等優(yōu)勢，因此未來也將會有更多微逆廠商會使用GaN器件。

根據(jù)Mordor Intelligence的數(shù)據(jù)，2024年全球微型逆變器市場的規(guī)模預(yù)計為31.5億美元，預(yù)計到2029年將達到77.4億美元，復(fù)合年增長率（CAGR）為19.70%。未來微逆市場規(guī)模的高速增長，也將會給GaN廠商帶來更大的市場空間。