本应用简报介绍TI GaN器件如何改进光伏充电控制器。与MOSFET相比，使用TI GaN器件可提高效率并减小PCB尺寸，而且不会增加BOM成本。

电子电气设备快速发展，需要提供的功率比以往任何时候都大得多。对于许多家庭来说，要缩减电费支出或助力实现绿色可持续的未来，太阳能都是不错的选择，而半导体在其中发挥着重要作用。

适用于光伏应用的紧凑型高效电源转换器既能帮助用户减少室内占用面积，又能节省成本。氮化镓(GaN)使得这一趋势成为可能。TI的新款中压GaN设计通过集成驱动器并优化电源环路，使GaN设计得以大幅简化。

图1 TI LMG2100

光伏充电控制器可与光伏(PV)阵列配合使用，采用最大功率点跟踪(MPPT)算法为离网和混合离网应用中的电池和电气负载发电。GaN功率输出电压和输出电流是经过调节的结果。控制器可以安全地调节电池，防止过度充电或过度放电，从而延长电池寿命。光伏电控制器内部的高效电源转换器可以更大限度地提高太阳能发电量。

图2 光伏充电控制器图

TIDA-010042参考设计是一款光伏充电控制器，支持15V至60V输入电压以及12V/24V电池，可提供400W以上的GaN功率。在包含两相交错降压转换器的旧设计中，选择了CSD19531Q5A作为主电源开关MOSFET，每相开关频率为180kHz。

图3 旧TIDA-010042板

在12V和24V负载条件下以0.6的固定占空比对电路板进行GaN功率测试。在12V负载下，峰值效率为96.7%，欧洲加权效率约为96.4%。在24V负载下，峰值效率为97.3%，欧洲加权效率约为96.4%。

图4 旧TIDA-010042效率曲线

GaN器件可在相同或更低损耗下实现更高的开关频率，只需将MOSFET更改为TI全新的中压GaN器件LMG2100即可，这款GaN器件具有更低的Rds(on)和低得多的寄生电容。具有更高开关频率的转换器可以使无源器件更小，从而减小PCB尺寸并降低成本。此外，更高的效率可降低热耗散，在使用同一光伏电池板的情况下可输出更多功率，从而节省散热材料和电费。

新的TIDA-010042使用LMG2100作为单相降压转换器功率级，简化了GaN设计要求。通过引入LMG2100，PCB面积节省了约37%，BOM成本也下降了37%。

图5. 新TIDA-010042板

在与采用MOSFET的TIDA-010042相同的条件下进行GaN设计测试，但改用GaN和2层PCB且开关频率为250kHz；在12V负载和24V负载下的峰值效率分别为98.4%和98.5%。欧洲加权效率分别为97.5%和98.2%。与MOSFET版本相比，峰值效率提高了至少1.2%，欧洲加权效率提高了至少1.1%，同时BOM成本进一步降低。

图6. 新TIDA-010042效率

为了充分利用GaN器件的功能，TI建议使用至少4层PCB，由于导通和关断速度很快，因此其所需的降压转换器输入环路电感极低。4层PCB板非常小，因此可以通过优化GaN设计布局来帮助尽可能降低输入环路电感，而且不会增加很多成本。通过增加2层，PCB损耗和开关损耗大幅降低，同时效率进一步提高。在12V和24V负载下，欧洲加权效率分别为97.9%和98.5%，与2层版本相比提升了0.3%左右。图7所示为使用TI GaN和MOSFET的光伏充电控制器之间的效率比较情况，显示出有很大的GaN性能提升。

图7. 使用12V负载系统进行测试

图8. 使用24V负载系统进行测试

图9. BOM成本比较

图9显示了BOM成本比较情况。旧版本采用交错降压转换器和MOSFET，需要更多无源器件来降低GaN设计成本并会增大尺寸。主要的节省来自电感器和无源器件。此外，在使用4层电路板的情况下，GaN器件可以在400W的条件下将所有热量散发到PCB中，无需添加风扇或散热器，结温远低于安全工作区。图9中未考虑GaN散热材料的节省情况。