GaN 如何提高逆变器效率

GaN FET 导致的导通损耗与 GaN 的导通状态电阻成正比，这一点与 MOSFET 类似。但对于 IGBT，导通损耗取决于拐点电压和动态导通状态电阻，这通常高于 GaN FET 或 MOSFET。

在开关损耗方面，与 MOSFET 和 IGBT 相比，GaN FET 的损耗要低得多，原因是：

• GaN 提供零反向恢复。通过零反向恢复，可以非常高的电流压摆率 (di/dt) 和电压压摆率 (dv/dt) 切换 GaN FET。在 MOSFET 中，体二极管会出现较高的零反向恢复，从而限制开关 di/dt 和 dv/dt，并导致额外的损耗和相位节点电压振铃。对于 IGBT，即使添加经过优化的反向并联二极管，仍然会带来与反向恢复相关的难题。
• 关闭时，IGBT 会受到少数载流子复合电流（通常称为尾电流）的影响，该电流会增加关断损耗。GaN 没有任何尾电流。
• 与 IGBT 和 MOSFET 相比，GaN 的电容更低，因此电容开关损耗更低。
• 受控和更快的 di/dt 和受控 dv/dt 有助于优化开关期间的电压-电流重叠损耗。

图 1 展示了在开关频率为 20kHz、基于 GaN 的逆变器的相位节点电压压摆率限制为 5V/ns、环境温度为 55°C 的情况下，基于 GaN、IGBT 和 MOSFET 的解决方案的逆变器效率理论比较。可以看到，GaN 解决方案可帮助将功率损耗至少降低一半。

图 1 GaN、MOSFET 和 IGBT 解决方案的效率比较。

图 2 比较了米6体育平台手机版_好二三四 (TI) DRV7308 三相 GaN 智能电源模块 (IPM) 和峰值电流额定值为 5A 的 IGBT IPM 的效率。相应的值在以下条件下测得：电源电压为 300V_DC、开关频率为 20kHz、环境温度为 25°C、风扇电机电缆长度为 2m、提供 0.85A 的均方根绕组电流和 250W 的逆变器输出功率。GaN IPM 的压摆率配置为 5V/ns。

图 2 250W 应用中 DRV7308 和 IGBT IPM 的效率比较。