氮化鎵單片雙向開關：電力電子技術的下一代突破

單片雙向開關(BDS)被業(yè)界視為電力電子性能實現(xiàn)跨越式發(fā)展的關鍵推動者。基于橫向氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)的技術具有獨特優(yōu)勢，可有效應用于BDS器件開發(fā)。本文將概述BDS的應用場景，并重點介紹即將實現(xiàn)商業(yè)化的新一代GaN BDS器件系列。

雙向開關應用解析

傳統(tǒng)MOSFET或IGBT開關通常僅具備正向導通與反向阻斷功能。雖然通過MOSFET體二極管或IGBT反并聯(lián)二極管可實現(xiàn)第三象限導通，但這種反向傳導缺乏柵極控制能力。要實現(xiàn)可控雙向導通，通常需要將兩個傳統(tǒng)器件背對背(B2B)連接。

這種配置會使導通電阻(RDSON)翻倍，因此必須并聯(lián)多個器件才能達到單向開關的阻抗水平。而單片集成式四象限操作器件能通過單一器件替代四個有源開關，顯著降低系統(tǒng)復雜度與體積。采用GaN材料的BDS器件憑借更低損耗和更快開關速度，在特定應用中較傳統(tǒng)硅基器件更具優(yōu)勢。

以下是BDS發(fā)揮關鍵作用的典型應用場景：

交流開關：雙向AC-AC功率傳輸在太陽能微逆變器中極具吸引力。傳統(tǒng)方案需建立直流母線電壓再進行AC轉換，不僅需要大容量DC-link電容，兩級轉換也導致效率損失。采用AC開關可實現(xiàn)單級隔離功率轉換，車載充電器(OBC)同樣受益。矩陣變換器概念提出45年來，通過9個BDS器件連接三相端口即可實現(xiàn)電壓、頻率和功率因數(shù)調(diào)節(jié)。相比傳統(tǒng)變頻驅動器(VFD)的AC-DC-AC兩級轉換方案，BDS方案能消除諧波干擾、實現(xiàn)能量回饋，同時省去笨重的DC-link電容。鑒于VFD消耗工業(yè)用電60%以上，BDS技術在提升功率密度、可靠性和效率方面的優(yōu)勢將產(chǎn)生重大影響，甚至可實現(xiàn)電機驅動器一體化集成。

AC-DC變換器中B2B開關的替代：以維也納整流器為例，其B2B開關將直流中點回饋至交流側，用于輸入電感電流補償和諧波抑制。采用GaN BDS單片替代多器件組合，既能減少元件數(shù)量，又可憑借快速開關特性縮小無源元件體積。類似優(yōu)勢也體現(xiàn)在T型變換器和HERIC逆變器中，這些三電平拓撲中的BDS器件僅需承受一半直流母線電壓。

電流源逆變器(CSI)：CSI為感應電機提供定子電流，正弦波電流可顯著提升電機可靠性。CSI的大電感具備天然過載保護能力，但需要雙向電壓阻斷開關。雖然CSI存在控制復雜等挑戰(zhàn)，但在大功率電機驅動、電動飛機和高壓直流輸電領域優(yōu)勢明顯。GaN BDS已成功應用于CSI設計，在滿足雙向阻斷需求的同時，單向電流傳導特性可簡化柵極控制。

交流固態(tài)斷路器(SCCB)與電池隔離：AC SCCB要求器件具備雙向導通、強過壓耐受、低導通電阻、快速響應(μs級故障清除)等特性。GaN BDS替代機械斷路器或MOSFET/IGBT反串聯(lián)組合，可減少芯片數(shù)量并提升效率。其無顯著Spirito效應的特點，也避免了硅基器件安全工作區(qū)(SOA)受限的問題。手機/筆記本充電電路的電池隔離開關采用源極合并單柵極架構，導通電阻可低于10mΩ。

高壓GaN BDS技術突破

英飛凌2025寬禁帶開發(fā)者論壇披露了CoolGaN? HV BDS技術細節(jié)。基于柵極注入晶體管(GIT)技術的650V/850V器件采用中央漏極合并設計，連接雙柵極-源極架構。針對靜態(tài)電池隔離應用的中壓BDS(40-120V)則采用肖特基柵HEMT技術，呈現(xiàn)雙漏極單柵極架構。

圖1展示了HV BDS的四種工作模式：雙柵極開啟時實現(xiàn)雙向導通;單柵極工作時呈現(xiàn)二極管特性，截止柵極在源漏電壓超過有效閾值(Vth-Vgs)時觸發(fā)導通(GIT器件<2V);雙柵極關閉時則實現(xiàn)超額定電壓阻斷。

關鍵技術突破在于襯底電位動態(tài)控制——通過智能GaN技術將襯底實時連接至最低電位源極，既避免非對稱導通，又防止背偏壓導致的RDSON升高。圖2顯示，在100kHz開關頻率下，相比RDSON相同的Si/SiC MOSFET B2B方案，GaN BDS能顯著降低損耗。共享漏極設計提升比導通電阻特性，減小芯片面積并降低動態(tài)損耗。該器件還具備自限流短路保護能力，可通過10-100μs重復測試，性能遠超單向GaN HEMT。

650V HV BDS將于2025Q2量產(chǎn)，提供25mΩ/110mΩ規(guī)格的TOLT和DSO TSC封裝。未來路線圖包含850V器件。針對CSI應用的創(chuàng)新混合BDS方案，通過常開型(d-mode)與增強型HEMT組合，利用柵源級聯(lián)肖特基二極管控制關斷，簡化柵極驅動設計。

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