Роль GaN в микроинверторах растет, но сможет ли этот материал в конечном итоге вытеснить кремний при преобразовании постоянного тока в переменный на уровне панелей?
Очевидно, что роль нитрида галлия (GaN) в фотоэлектрических микроинверторах растет, но сможет ли этот материал с широкой запрещенной зоной в конечном итоге вытеснить кремний как наиболее широко используемый полупроводник для преобразования постоянного тока в переменный на уровне панелей?
В этой статье мы представим краткий обзор некоторых ключевых концепций в этой области и нескольких новшеств от крупных игроков.
Пример для микроинверторов
На базовом уровне микроинвертор – это система, которая преобразует энергию постоянного тока, генерируемую одной фотоэлектрической панелью, в напряжение переменного тока, соответствующее требованиям сети, используя коммутируемую схему. Напряжение переменного тока может быть однофазным 110 В/60 Гц в США, 230 В/50 Гц в других регионах или трехфазным 480 В в промышленных условиях.
Поскольку микроинвертор обслуживает только одну панель, он намного меньше, чем линейный инвертор (который подключается к целому ряду панелей), отсюда и префикс «микро». Таким образом, он на самом деле достаточно мал и легок, чтобы его можно было установить на задней стороне фотоэлектрической панели.
Преимущества микроинверторов
За последние несколько лет микроинверторы становятся все более популярными, поскольку они обеспечивают ряд преимуществ по сравнению со струнными инверторами или централизованными инверторами, обслуживающими всю фотоэлектрическую систему.
Микроинверторы извлекают максимально возможное количество энергии из каждой отдельной фотоэлектрической панели, сводя к минимуму влияние локальных различий в интенсивности солнечного излучения (например, теней, создаваемых окружающими объектами) на общую выходную мощность всей фотоэлектрической системы.
Ключевым аспектом этого преимущества является возможность выполнения функции отслеживания точки максимальной мощности на уровне панели, позволяющей в режиме реального времени максимизировать напряжение и ток (V*I) в зависимости от индивидуального количества солнечного света, получаемого каждой панелью.
Дополнительные преимущества микроинверторов заключаются в том, что они позволяют избежать использования одного централизованного инвертора и использовать обычную проводку переменного тока, а не специальные кабели постоянного тока.
Требования к конструкции микроинверторов
Ключевым требованием к конструкции микроинверторов (как и ко всем инверторам) является эффективность: преобразование максимально возможного процента мощности постоянного тока в переменный.
К дополнительным и более специфическим требованиям относятся небольшой размер (или высокая удельная мощность в кВт на литр), малый вес и долговечность. Микроинверторы, которые часто устанавливаются на крыше, должны выдерживать работу на открытом воздухе в течение многих лет, поскольку их замена является достаточно сложной задачей.
Микроинвертор на основе GaN
Следует отметить, что большинство микроинверторов, доступных в настоящее время на рынке, основаны на устройствах питания на базе кремния. Однако полевые транзисторы на основе GaN обладают рядом преимуществ по сравнению с кремниевыми, в частности, возможностью достигать более высоких частот переключения, вплоть до нескольких сотен килогерц (благодаря высокой подвижности электронов в GaN), и более низким сопротивлением включению (Rds(on)).
Кроме того, полевой транзистор на основе GaN не имеет «основного диода», поэтому он имеет нулевой заряд обратного восстановления и не имеет потерь на обратное восстановление. Все эти особенности способствуют повышению эффективности преобразования инвертора: более высокие частоты переключения снижают потери при переключении, сводя к минимуму время, затрачиваемое на переходное состояние с высокими потерями, а более низкий Rds(on) снижает потери на проводимость.
В результате некоторые микроинверторы на основе GaN заявляют о показателях эффективности выше 97%.
Более высокая эффективность преобразования означает меньшее рассеивание тепла, что, в свою очередь, приводит к уменьшению размеров радиаторов.
Кроме того, использование более высоких частот переключения также позволяет разработчикам выбирать магниты меньшего размера и конденсаторы меньшего размера, в результате чего получаются миниатюрные и легкие микроинверторы. Некоторые микроинверторы на основе GaN заявляют о плотности мощности до 1,5 кВт на литр.
Что касается надежности, то современные переключатели на основе GaN отвечают требованиям к долговечности фотоэлектрических систем. Согласно исследованию, проведенному компанией EPC, устройства на основе GaN могут прослужить более 25 лет на солнечных батареях и работать лучше, чем кремниевые, при нейтронном излучении.
Неполный список поставщиков, предлагающих полевые транзисторы на основе GaN, подходящие для солнечных микроинверторов, включает Cambridge GaN Devices, EPC, Infineon, Innoscience, Navitas, Nexperia, Renesas, Rohm Semiconductor, STMicroelectronics и Texas Instruments. Этот список, вероятно, расширится с добавлением новых игроков, таких как onsemi. Данная компания недавно объявила о сотрудничестве с Innoscience и GlobalFoundries в области GaN.
Большинство поставщиков полевых транзисторов на основе GaN предлагают устройства с улучшенным режимом (e-mode), в то время как компания Renesas использует технологию с пониженным режимом (d-mode).
Эволюция GaN включает в себя разработку микросхем питания, объединяющих привод, логику и полевые транзисторы на одном кристалле, как в продуктах Navitas.
Двунаправленный переключатель на основе GaN и одноступенчатые микроинверторы
В этой статье мы не будем углубляться во множество различных топологий схем, которые могут быть использованы для создания микроинверторов на основе GaN, а также в различные способы, которыми топологии могут способствовать повышению эффективности преобразования – например, с помощью режимов «программной коммутации», таких как «переключение с нулевым напряжением» или «переключение с нулевым током».
Что касается топологии схем, мы лишь кратко упомянем об упрощении, которое обещает одно из последних достижений в архитектуре устройств на основе GaN: появление монолитных двунаправленных переключателей на основе GaN, то есть устройств, которые могут переключать токи, протекающие в обоих направлениях.
Один двунаправленный переключатель на основе GaN может заменить до четырех однонаправленных переключателей. Более того, двунаправленные устройства облегчают разработчикам переход от традиционных двухступенчатых топологий (преобразователь постоянного напряжения в постоянное, затем преобразователь постоянного напряжения в переменное) к одноступенчатым топологиям, обеспечивая преимущества с точки зрения спецификации материалов, плотности мощности и эффективности преобразования.
Компании, предлагающие двунаправленные устройства на основе GaN, подходящие для применения в области фотоэлектрических устройств, включают Infineon, Renesas и Navitas. В примечании к заявке Texas Instruments (TI) от октября 2025 года («Применение двунаправленного переключателя на основе GaN от TI для трехуровневого преобразователя типа T») говорится, что компания TI также присоединилась к этой группе поставщиков.
По данным Infineon, один двунаправленный переключатель CoolGaN может заменить 2 или 4 однонаправленных переключателя при снижении потерь электроэнергии на 42% по сравнению с обычными устройствами на основе GaN. Enphase утверждает, что монолитные двунаправленные переключатели на основе GaN являются главным фактором для обеспечения плавного переключения в преобразователях входа-выхода переменного тока.
GaN и двунаправленные микроинверторы
Устройства на основе GaN также могут поддерживать тенденцию к созданию двунаправленных микроинверторов, которые не следует путать с двунаправленными переключателями. В установках, которые включают в себя как фотоэлектрические панели, так и аккумуляторы для накопления энергии, двунаправленные микроинверторы выполняют две различные функции: помимо преобразования энергии, вырабатываемой солнечными панелями, из постоянного тока в переменный, они также управляют зарядкой и разрядкой аккумулятора.
В то время как разряд батареи (то есть использование накопленной энергии для питания нагрузок переменного тока) требует преобразования постоянного тока в переменный, как и для фотоэлектрических панелей, зарядка батареи от сети требует обратного преобразования: из переменного тока в постоянный.
Благодаря объединению в одной системе как постоянного тока в переменный, так и преобразования переменного тока в постоянный, двунаправленные микроинверторы требуют более сложной топологии схемы.
Преимущества, предоставляемые устройствами на основе GaN, могут помочь сделать эти системы более конкурентоспособными, способствуя переходу к современным фотоэлектрическим установкам, которые включают в себя накопители энергии на базе аккумуляторов, что позволяет сократить подачу солнечной энергии, независимо от смены дня и ночи.
Эталонные образцы микроинверторов на основе GaN
Очевидно, что для создания микроинвертора, помимо устройств питания, требуется несколько других полупроводниковых компонентов, таких как драйверы и контроллеры.
Крупные производители микросхем, предлагающие широкую и разнообразную линейку продуктов, очевидно, стремятся стать универсальными партнерами для разработчиков микроинверторов, и для этих компаний хорошо зарекомендовавшим себя способом достижения своей цели является разработка эталонных образцов.
В качестве нескольких замечательных примеров можно привести руководство Texas Instruments по проектированию TIDA-010933 («Двунаправленный микроинвертор мощностью 1,6 кВт, основанный на типовом варианте конструкции GaN») и эталонный однофазный циклоконвертер мощностью 600 Вт на основе GaN.
Кроме того, компания Renesas представила технический документ «Топология одноступенчатого микроинвертора: комплексное решение для проектирования системы как для автономных, так и для включенных в сеть устройств», а Infineon – «Солнечный микроинвертор на базе циклоконвертера CoolGaN с двунаправленным переключателем 650 В G5».
Существующие микроинверторы на основе GaN
Несмотря на то, что устройства питания из кремния по-прежнему доминируют в области преобразования солнечной энергии, предложение микроинверторов на основе GaN, доступных в настоящее время на рынке, по-прежнему ограничено.
Помимо вышеупомянутых продуктов от Enphase, в которых используются устройства на основе GaN от Infineon, несколько лет назад были анонсированы и другие актуальные продукты.
В 2022 и 2023 годах EPC, производитель устройств на основе GaN, объявил, что его продукция была принята на вооружение немецкой компанией Solarnative (которая заявила, что ее микроинверторы достигли плотности мощности 1,6 кВт на литр) и австрийской компанией EET SolMate, соответственно.
Также в 2023 году в Renesas объявили, что их устройства Transphorm GaN были приняты на вооружение компанией DAH Solar с головным офисом в Китае.
GaN в фотоэлектрических системах
Благодаря преимуществам, которые GaN предоставляет при использовании в микроинверторах, данный материал обладает потенциалом для повышения эффективности и упрощения фотоэлектрических систем и, в конечном счете, для содействия переходу на возобновляемые источники энергии.
Однако устройства питания на основе GaN по-прежнему сталкиваются с жесткой конкуренцией со стороны своих более дешевых и проверенных кремниевых аналогов. Как кремниевые, так и GaN технологии продолжают развиваться, так что гонка продолжается. Учитывая, что рынок солнечных микроинверторов, несомненно, будет расти, мы можем ожидать развития оживленного сценария в ближайшие годы.
