GaN如何改進(jìn)光伏充電控制器

電子電氣設(shè)備快速發(fā)展，需要提供的功率比以往任何時(shí)候都大得多。對(duì)于許多家庭來(lái)說(shuō)，要縮減電費(fèi)支出或助力實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)的未來(lái)，太陽(yáng)能都是不錯(cuò)的選擇，而半導(dǎo)體在其中發(fā)揮著重要作用。

適用于光伏應(yīng)用的緊湊型高效電源轉(zhuǎn)換器既能幫助用戶減少室內(nèi)占用面積，又能節(jié)省成本。氮化鎵 (GaN) 使得這一趨勢(shì)成為可能。TI 的新款中壓 GaN 設(shè)計(jì)通過(guò)集成驅(qū)動(dòng)器并優(yōu)化電源環(huán)路，使設(shè)計(jì)得以大幅簡(jiǎn)化。

圖1 TI LMG2100

光伏充電控制器可與光伏 (PV) 陣列配合使用，采用最大功率點(diǎn)跟蹤 (MPPT) 算法為離網(wǎng)和混合離網(wǎng)應(yīng)用中的電池和電氣負(fù)載發(fā)電。輸出電壓和輸出電流是經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)的結(jié)果?？刂破骺梢园踩卣{(diào)節(jié)電池，防止過(guò)度充電或過(guò)度放電，從而延長(zhǎng)電池壽命。光伏電控制器內(nèi)部的高效電源轉(zhuǎn)換器可以更大限度地提高太陽(yáng)能發(fā)電量。

圖2 光伏充電控制器圖

TIDA-010042 參考設(shè)計(jì)是一款光伏充電控制器，支持 15V 至 60V 輸入電壓以及 12V/24V 電池，可提供 400W 以上的功率。在包含兩相交錯(cuò)降壓轉(zhuǎn)換器的舊設(shè)計(jì)中，選擇了 CSD19531Q5A 作為主電源開(kāi)關(guān) MOSFET，每相開(kāi)關(guān)頻率為 180kHz。

圖3 舊TIDA-010042板

在 12V 和 24V 負(fù)載條件下以 0.6 的固定占空比對(duì)電路板進(jìn)行測(cè)試。在 12V 負(fù)載下，峰值效率為 96.7%，歐洲加權(quán)效率約為 96.4%。在 24V 負(fù)載下，峰值效率為 97.3%，歐洲加權(quán)效率約為 96.4%。

圖4 舊TIDA-010042效率曲線

GaN 器件可在相同或更低損耗下實(shí)現(xiàn)更高的開(kāi)關(guān)頻率，只需將 MOSFET 更改為 TI 全新的中壓 GaN 器件 LMG2100 即可，這款器件具有更低的 Rds(on) 和低得多的寄生電容。具有更高開(kāi)關(guān)頻率的轉(zhuǎn)換器可以使無(wú)源器件更小，從而減小 PCB 尺寸并降低成本。此外，更高的效率可降低熱耗散，在使用同一光伏電池板的情況下可輸出更多功率，從而節(jié)省散熱材料和電費(fèi)。

新的 TIDA-010042 使用 LMG2100 作為單相降壓轉(zhuǎn)換器功率級(jí)，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)要求。通過(guò)引入 LMG2100，PCB 面積節(jié)省了約 37%，BOM 成本也下降了 37%。

圖5 新 TIDA-010042板

在與采用 MOSFET 的 TIDA-010042 相同的條件下進(jìn)行測(cè)試，但改用 GaN 和 2 層 PCB 且開(kāi)關(guān)頻率為 250kHz；在 12V 負(fù)載和 24V 負(fù)載下的峰值效率分別為 98.4% 和 98.5%。歐洲加權(quán)效率分別為 97.5% 和 98.2%。與 MOSFET 版本相比，峰值效率提高了至少 1.2%，歐洲加權(quán)效率提高了至少 1.1%，同時(shí) BOM 成本進(jìn)一步降低。

圖6 新TIDA-010042效率

為了充分利用 GaN 器件的功能，TI 建議使用至少 4 層 PCB，由于導(dǎo)通和關(guān)斷速度很快，因此其所需的降壓轉(zhuǎn)換器輸入環(huán)路電感極低。4 層 PCB 板非常小，因此可以通過(guò)優(yōu)化布局來(lái)幫助盡可能降低輸入環(huán)路電感，而且不會(huì)增加很多成本。通過(guò)增加 2 層，PCB 損耗和開(kāi)關(guān)損耗大幅降低，同時(shí)效率進(jìn)一步提高。在 12V 和 24V 負(fù)載下，歐洲加權(quán)效率分別為 97.9% 和 98.5%，與 2 層版本相比提升了 0.3% 左右。圖 7 所示為使用 TI GaN 和 MOSFET 的光伏充電控制器之間的效率比較情況，顯示出有很大的性能提升。

圖7 使用12V負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試

圖8 使用24V負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試

圖9 BOM成本比較

圖 9 顯示了 BOM 成本比較情況。舊版本采用交錯(cuò)降壓轉(zhuǎn)換器和 MOSFET，需要更多無(wú)源器件來(lái)降低成本并會(huì)增大尺寸。主要的節(jié)省來(lái)自電感器和無(wú)源器件。此外，在使用 4 層電路板的情況下，GaN 器件可以在 400W 的條件下將所有熱量散發(fā)到 PCB 中，無(wú)需添加風(fēng)扇或散熱器，結(jié)溫遠(yuǎn)低于安全工作區(qū)。圖 9 中未考慮散熱材料的節(jié)省情況。