事实显而易见：氮化镓在光伏微型逆变器中的作用正在增长——但这种宽禁带材料最终会取代硅，成为面板级直流-交流转换中最广泛使用的半导体吗?

在本文中，我们将简要概述该领域的一些关键概念，以及一些主要厂商的最新动态。

微型逆变器的优势

从根本上说，微型逆变器是一种利用开关模式电路拓扑，将单个光伏面板产生的直流电能转换为符合电网要求的交流电压的系统。交流电压可以是美国的单相110-V/60-Hz、其他地区的230-V/50-Hz，或工业应用中的三相480 V。

由于微型逆变器仅为单个面板服务，因此它比连接一整串面板的组串式逆变器小得多，故有"微型"之称。实际上，它足够小巧轻便，可以安装在光伏面板的背面。

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过去几年，微型逆变器越来越受欢迎，因为与服务于整个光伏系统的组串式或集中式逆变器相比，它们提供了多项优势。

微型逆变器能从每个独立的光伏面板中榨取尽可能多的电能，最大限度地减少局部太阳辐照度差异(例如周围物体投射的阴影)对整个光伏系统总输出功率的影响。

这一优势的一个关键方面在于能够在面板级别执行MPPT功能(最大功率点追踪)，从而能够根据每个面板接收到的阳光量，实时最大化电压与电流的乘积。

微型逆变器的其他好处包括避免依赖单一的集中式逆变器，以及能够使用常规的交流布线，而不是特殊的直流电缆。

微型逆变器的设计要求

微型逆变器(与所有逆变器一样)的一个关键设计要求是效率：将尽可能高比例的直流电转换为交流电。

其他更具体的要求包括体积小(或高功率密度，以千瓦/升计)、重量轻和使用寿命长。由于微型逆变器通常安装在屋顶上，必须能经受多年户外环境的考验，因为更换可能很困难。

采用氮化镓的微型逆变器

需要指出的是，目前市场上大多数微型逆变器仍基于硅功率器件。然而，与硅相比，氮化镓场效应晶体管具有多重优势，特别是能够达到更高的开关频率(可达数百千赫兹，得益于氮化镓的高电子迁移率)和更低的导通电阻。

此外，氮化镓场效应晶体管没有"体二极管"，因此其反向恢复电荷为零，没有反向恢复损耗。所有这些特性都有助于提高逆变器的转换效率：更高的开关频率可降低开关损耗，最大限度地减少高损耗过渡状态的持续时间;更低的导通电阻则可降低导通损耗。

因此，一些基于氮化镓的微型逆变器宣称效率超过97%。更高的转换效率意味着散热更少，从而可以使用更小的散热器。

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此外，使用更高的开关频率也使设计人员能够选择更小的磁性元件和电容器，从而实现更小巧、更轻的微型逆变器。一些基于氮化镓的微型逆变器宣称功率密度高达每升1.5千瓦。

在可靠性方面，如今的氮化镓开关器件能够满足光伏应用的寿命要求。根据氮化镓器件供应商EPC的一项研究，氮化镓器件在太阳能应用中可以使用超过25年，并且在中子辐射下表现优于硅。

提供适用于太阳能微型逆变器应用的氮化镓场效应晶体管的供应商(非详尽列表)包括：剑桥氮化镓器件公司、EPC、英飞凌、英诺赛科、纳微半导体、安世半导体、瑞萨电子、罗姆半导体、意法半导体和德州仪器。这个名单可能会随着更多厂商的加入而扩大，例如安森美，该公司最近宣布与英诺赛科和格罗方德就氮化镓开展合作。

大多数氮化镓场效应晶体管供应商提供增强型器件，而瑞萨则专注于耗尽型技术。氮化镓的演进包括开发将驱动器、逻辑和场效应晶体管集成在单一芯片上的功率IC，如纳微半导体的产品。耗尽型器件的优势在瑞萨的这项研究中有所阐述。

氮化镓双向开关与单级微型逆变器

本文将不深入探讨可用于构建基于氮化镓微型逆变器的多种不同电路拓扑，也不详细讨论拓扑结构如何有助于实现更高的转换效率(例如，通过"零电压开关"或"零电流开关"等"软开关"模式)。

关于电路拓扑，我们仅简要提及氮化镓器件架构最新进展之一所带来的简化可能：单片集成双向氮化镓开关的出现，即可以切换双向电流的器件。

一个氮化镓双向开关最多可以替代四个单向开关。更重要的是，双向器件使设计人员更容易从传统的两级拓扑(先DC-DC，后DC-AC)转向单级拓扑，从而在物料清单、功率密度和转换效率方面获益。

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提供适用于光伏应用的双向氮化镓器件的公司包括英飞凌、瑞萨和纳微半导体。德州仪器2025年10月的一份应用报告("TI双向氮化镓在三电平T型转换器中的应用")显示，德州仪器也已加入这一供应商行列。

在采用双向开关方面，最近的动态包括英飞凌2025年11月的一则公告，其CoolGaN双向器件将为光伏功率转换市场的主要厂商Enphase的IQ9三相微型逆变器供电。

根据英飞凌的说法，单个CoolGaN双向开关可以替代两个或四个单向开关，与传统的氮化镓器件相比，功率损耗减少42%。Enphase认为，单片集成双向氮化镓开关是实现交流输入/输出转换器中软开关的关键使能因素。

氮化镓与双向微型逆变器

氮化镓器件也能支持双向微型逆变器(注意不要与双向开关混淆)的发展趋势。在同时包含光伏面板和基于电池的储能装置的安装中，双向微型逆变器执行两种不同的功能：除了将太阳能面板产生的能量从直流转换为交流外，它们还管理电池的充放电。

虽然电池放电(即使用储存的能量为交流负载供电)需要像光伏面板一样进行直流到交流的转换，但从电网为电池充电则需要相反的转换：从交流到直流。

通过将直流到交流和交流到直流的转换结合在一个系统中，双向微型逆变器需要更复杂的电路拓扑。

氮化镓器件提供的优势有助于使这些系统更具竞争力，推动向更先进的光伏安装方案过渡，这种方案包括基于电池的储能，以缓解太阳能发电因昼夜循环而产生的供应波动。

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基于氮化镓的微型逆变器参考设计

除了功率器件，构建微型逆变器显然还需要其他几种半导体组件，如驱动器和控制器。提供广泛且多样化产品线的大型芯片制造商显然渴望成为微型逆变器设计人员的一站式供应商，而开发参考设计是这些公司实现其目标的成熟途径。

一些显著的例子包括德州仪器的TIDA-010933设计指南("基于氮化镓的1.6千瓦双向微型逆变器参考设计")及其600瓦基于氮化镓的单相周波变换器参考设计。

此外，还有瑞萨的白皮书"单级微型逆变器拓扑：适用于并网/离网应用的全系统设计解决方案";以及英飞凌的应用笔记"基于CoolGaN双向开关650 V G5周波变换器的太阳能微型逆变器"。

现有的基于氮化镓的微型逆变器

由于硅功率器件仍然主导着太阳能功率转换领域，目前市场上可用的基于氮化镓的微型逆变器产品仍然有限。

除了上述使用英飞凌氮化镓器件的Enphase产品外，其他一些相关公告可以追溯到几年前。

2022年和2023年，氮化镓器件制造商EPC分别宣布其产品被德国的Solarnative(宣称其微型逆变器功率密度达到每升1.6千瓦)和奥地利的EET SolMate采用。

同样在2023年，瑞萨宣布其Transphorm氮化镓器件被总部位于中国的DAH Solar采用。

氮化镓在光伏系统中的前景

得益于其在微型逆变器应用中提供的优势，氮化镓有潜力使光伏系统更高效、更简单，并最终助力向可再生能源转型。

然而，氮化镓功率器件仍面临来自其更便宜且久经考验的硅基同类产品的激烈竞争。硅和氮化镓功率技术都在不断发展，竞争正在进行中。随着太阳能微型逆变器市场无疑将持续增长，我们预计未来几年将会呈现出一幅活跃的发展图景。