光伏微型逆变器，GaN的新战场

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）GaN作为第三代半导体，已经在消费电子电源，充电器等领域广泛应用。GaN的高频特性，能够帮助缩小电源体积，同时提高转换效率，因此在很多领域包括汽车、光伏等应用中也有很大的市场空间。尤其是光伏应用的微型逆变器，在近几年随着GaN厂商积极推出相关方案以及产品，已经在市场上取得一定成功。
 
GaN在光伏系统的应用优势
 
近年来，微型逆变器市场呈现爆发式增长，当然这也是得益于光伏发电等清洁能源的普及。微型逆变器可以将光伏面板产生的直流电转化为电网或家用的交流电，能够直接接入电网或家庭中。与传统组串变器相比，它具有提高系统效率、安全性和灵活性的优势。
 
微型逆变器的主要作用除了将直流电转换为交流电外，还能针对每块光伏面板进行单独的最大功率点跟踪（MPPT），保障光伏系统的各个单元都运行在最佳状态，从而提高整体光伏系统的发电效率。
 
一般来说，微型逆变器与光伏电池是安装在一起的，由于微型逆变器体积较小，且支持热插拔，用户使用就较为灵活，可以根据需求来自行扩展系统功率。且由于大型光伏系统中存在多个微型逆变器，所以单个逆变器的出现问题也不会影响到整体系统工作。
 
在安全性方面，微型逆变器的优势同样明显。由于每个微型逆变器对应的光伏面板数量较少，因此工作在较低的直流电压下，减少了高压电击的风险，提升了系统的整体安全性。高频变压器的使用进一步实现了电池板与电网之间的电气隔离，增强了系统的安全保护。
 
那么从这些描述来看，GaN作为宽禁带半导体，GaN的功率器件用于微型逆变器就非常合适。首先是GaN功率器件高频特性能够大幅提高整体微型逆变器的功率密度，其次更低的导通损耗，能够提高转换效率，降低损耗，同时提高系统的可靠性和使用寿命。
 
比如在相同的结面积情况下，GaN的导通电阻仅有5mΩ/cm2, 硅的导通电阻为10mΩ/cm2。
 
而在功率密度上，以OCB为例，使用GaN的OBC方案能够比SiC方案尺寸缩小60%，同时还实现比SiC高62%的开关频率，因此能相比SiC拥有更高的功率密度和转换效率。
 
因此，早在2022年，德国光伏企业SolarnativeEPC就在旗下新型微型逆变器中采用了EPC的GaN器件，而这款逆变器据称是当时全球最小的逆变器，尺寸仅23.9mm x 23.2mm x 404mm，功率密度高达1.6kW/L。
 
GaN厂商布局光伏微型逆变器
 
在光伏系统上，去年8月，功率GaN厂商Transphorm宣布，在大恒能源全球首个全集成化微型逆变器光伏系统上使用了Transphorm的GaN FET器件。大恒能源在SolarUnits产品线（DC-DC和DC-AC）中使用了Transphorm的150mΩ和70mΩ GaN FET器件。
 
根据Transphorm提供的数据，GaN在光伏微型逆变器应用领域的潜在市场规模超过5亿美元，这也吸引了更多厂商开始开拓GaN在光伏微型逆变器领域的市场应用。
 
贝尼电气在2022年就展示了2800W四路微型逆变器，采用了GaN技术，转换效率高达97.5%，可连接4个面板，并通过监控每个模块的发电量实现模块级维护和管理。
 
在GaN应用在光伏微型逆变器中时，需要考虑到功率晶体管中内置的功能和保护，而纳微半导体的解决方案是，通过将多种电力电子功能，包括栅极驱动、保护功能、高速控制、保护GaN功率开关等集成到单个GaN芯片中，即集成GaN电源IC。与分立GaN E-HEMT相比，GaN电源IC能够降低系统设计的复杂性，以及降低成本和尺寸。
 
目前纳微半导体的GaNFast系列的GaN芯片产品组合可以适用于额定功率为 350 W 至 10 kW的光伏微型逆变器方案中。同时还提供集成精密传感的GaN 电源IC，帮助提高光伏应用的效率和可靠性，降低每瓦成本。
 
英诺赛科去年8月中标中碳科技(洛阳)有限公司单相微型逆变器采购项目，作为功率GaN厂商，英诺赛科也在持续拓展GaN在光伏微型逆变器的应用。英诺赛科开发了2kW微型逆变器方案，采用Flyback+H-bridge Inverter结构，搭配使用了150V GaN和650V GaN，前者在导通损耗和驱动损耗方面具备显著优势，后者还实现了良好的散热效果。相比传统Si方案，2kW微逆体积减小约20%，功率器件损耗减小35%，显著提升了系统性能和功率密度，更加适用于屋顶光伏阵列的模块化设计。
 
小结：
 
目前，功率GaN器件在光伏微型逆变器上已经实现规模应用。由于光伏微逆上应用GaN技术能够带来小型化、高效率等优势，因此未来也将会有更多微逆厂商会使用GaN器件。
 
根据Mordor Intelligence的数据，2024年全球微型逆变器市场的规模预计为31.5亿美元，预计到2029年将达到77.4亿美元，复合年增长率（CAGR）为19.70%。未来微逆市场规模的高速增长，也将会给GaN厂商带来更大的市场空间。