【導讀】太tai陽yang能neng發fa電dian係xi統tong的de發fa展zhan持chi續xu攀pan升sheng，而er光guang伏fu逆ni變bian器qi的de性xing能neng表biao現xian，正zheng成cheng為wei行xing業ye技ji術shu的de核he心xin。這zhe類lei設she備bei的de核he心xin設she計ji目mu標biao，盡jin可ke能neng利li用yong太tai陽yang能neng資zi源yuan。在zai眾zhong多duo技ji術shu突tu破po中zhong，氮dan化hua镓jia（GaN）材料的應用堪稱關鍵創新。當下，氮化镓正加速替代傳統的矽（Si）基器件及絕緣柵雙極晶體管（IGBT）係統
，成為光伏逆變器領域的新一代核心元件。

比較 GaN、SiC 和 IGBT

GaN 憑借其每個裸片區更優的電阻（Rsp）
、更低的輸入輸出電容（Ciss 和 Coss）yijilingfanxianghuifudianhedengtexing
，xianzhutishenglegonglvzhuanhuanxitongdexingneng。zhexieguanjianshuxing，duiyukaiguanpinlvtishengchangjingxiadedaotongsunhaoyukaiguansunhaokongzhizhiguanzhongyao；而損耗的降低又會進一步縮減無源元件的體積
，助力功率轉換係統實現輕量化與小型化的設計目標。

為充分釋放 GaN 的技術潛力，科研人員正圍繞製造工藝優化、Rsp 性能提升及封裝技術升級等方向展開深入攻關。以封裝方案為例
，如表 1 所示
，相較於傳統的雙 decawatt 封裝（D2PAK）、晶體管封裝輪廓（TO）-247 等表麵貼裝封裝，** 晶體管無引線封裝（TOLL）** 在熱傳導性能和寄生效應抑製方麵表現更為突出，可有效保障 GaN 器件在高負荷工況下的穩定性與能效水平。

表 1 TO-247、D2PAK、TOLL 封裝中的 GaN 器件熱阻值

TOLL 封裝簡介

作為無引線封裝，TOLL 封裝的寄生電感非常低，因而開關速度更快（減少開關損耗）、壓擺率更高並且電磁幹擾更低。TOLL 封裝的尺寸為 9.9mm x 11.68mm x 2.3mm
，顯著小於 TO-247 的封裝尺寸 15.94mm x 20.95mm x 5.02mm
，如此以來，印刷電路板上可利用的麵積會增加 70%。經過優化的 GaN 工藝使 GaN 場效應晶體管 (FET) 具有極低的漏源導通電阻 (RDS (on))，適用於高功率應用。TOLL 封裝的尺寸緊湊，可實現更快的熱損耗並提高熱效率。

將 GaN FET 與(yu)驅(qu)動(dong)器(qi)集(ji)成(cheng)在(zai)一(yi)起(qi)，可(ke)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)效(xiao)率(lv)和(he)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)，有(you)助(zhu)於(yu)減(jian)少(shao)柵(zha)極(ji)電(dian)感(gan)環(huan)路(lu)數(shu)量(liang)，並(bing)在(zai)功(gong)率(lv)級(ji)中(zhong)嵌(qian)入(ru)過(guo)流(liu)和(he)過(guo)熱(re)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)。通(tong)過(guo)集(ji)成(cheng)可(ke)以(yi)更(geng)好(hao)地(di)利(li)用(yong) TOLL 封裝的優勢，從而進一步降低寄生效應和係統成本。TI 的 LMG3650 dengqijianjiehelejichenghegaoxiaosanrefengzhuangdeyoushi，keyongyugaoyadianyuanzhuanhuanxitong。zaigaoyadianyuanzhuanhuanxitongzhong
，rexingnengshizhuyaokaolvyinsu
，youqizaiyouyuanlengquemianlintiaozhandeqingkuangxiagengyingruci。

TOLL 在能源基礎設施方麵的應用

鑒於商業和住宅環境的需求，太陽能微型逆變器
、串式逆變器和儲能係統都具有對效率、尺寸和成本敏感的功率轉換級。

在太陽能應用中，逆變器輸出通常與交流電網相連接，FET 的額定電壓需達到 650V。此外，這些逆變器應盡可能緊湊


，以便靈活地應用於住宅或商業係統。高壓 GaN FET 的額定絕對最大電壓為 800V，並能增加開關頻率，縮小無源器件的尺寸

，從而滿足高電壓和尺寸兩項係統要求。TOLL 封裝具有高效散熱特性，適用於係統環境溫度高於室溫且有效熱損耗至關重要的太陽能應用中。

LMG3650 中的集成式功率級提供過熱保護、guoliubaohuheqianyasuodingdengbaohugongneng，wuxuwaibubaohudianlu，congerjiangdishejifuzaxinghesuoxiaochicun。tajuyoulingdianyajianceheguolingjiancedenggaojigongneng，keyouhuasiqushijianbingjiangdisunhao，haipeiyou 5V 低壓降穩壓器，為驅動任何輔助電路輸出電流源。這些特性有助於優化能量轉換係統的性能和成本。

基於 GaN 的 600W 單相循環換流器參考設計具有循環換流器拓撲
，在高壓側使用 LMG3650，在低壓側使用 LMG2100。該參考設計展示了集成式 GaN 器件的潛力，該器件的功率密度為 640W/L，峰值效率為 96.1%

，並可在高達 600kHz 的開關頻率下運行。

使用 TOLL 器件進行設計

為您的設計選擇合適的 GaN 器件是通過降低開關和傳導損耗來提高係統性能的必要條件。使用 RDS (on) 較低的器件可能不是提高效率的一站式解決方案，因為它需要較大的 GaN 芯片
，這會增加輸出電容，進而增加開關損耗和成本。

在硬開關拓撲中，具備較高 Coss 的低 RDS (on) 會致使開關損耗大於導通損耗，而在軟開關拓撲中

，低 RDS (on) 能提高效率並且使開關和導通損耗非常低。

設計人員需要關注的另一點是多源功能。TI 的集成式 TOLL GaN 器件的封裝與分立式 TOLL GaN 器件兼容


，並為我們的客戶提供多種采購選擇。如圖 1 所示
，您可以通過保持原理圖和布局不變，僅對元件進行微小更改，便能將 TI 的 TOLL 器件部署在與分立式器件相同的電路板上。

TI 和分立式 TOLL GaN 封裝的原理圖

TOLL 封裝憑借低寄生電感、緊湊尺寸與高效散熱的核心優勢，成為 GaN FET 的關鍵載體，對比傳統封裝減少了封裝空間與損耗，儲能係統等能源基礎設施的嚴苛需求。TI LMG3650 等集成化器件
，將 GaN 功率級與驅動、保護功能深度整合，既降低了設計複雜度與係統成本，又進一步釋放了 TOLL 封裝的技術潛力。而 600W 單相循環換流器參考設計的優異表現，更印證了集成式 TOLL GaN 方fang案an在zai功gong率lv密mi度du與yu能neng效xiao上shang的de突tu出chu價jia值zhi。設she計ji中zhong需xu結jie合he拓tuo撲pu類lei型xing平ping衡heng器qi件jian參can數shu，且qie其qi兼jian容rong封feng裝zhuang的de多duo源yuan特te性xing，也ye為wei規gui模mo化hua應ying用yong提ti供gong了le靈ling活huo支zhi撐cheng，為wei高gao壓ya電dian源yuan轉zhuan換huan領ling域yu的de技ji術shu升sheng級ji築zhu牢lao了le根gen基ji。