氮化鎵雙向開(kāi)關(guān)推動(dòng)電力電子技術(shù)變革

單器件雙向控制，開(kāi)啟無(wú)限可能

作者： Dr. Kennith Kin Leong, Lead Principal, Product Definition and Concept Engineer, High-Voltage GaN Bidirectional Switch at Infineon Technologies.

校對(duì)：宋清亮 英飛凌消費(fèi)、計(jì)算與通訊業(yè)務(wù)大中華區(qū) 技術(shù)市場(chǎng)總監(jiān)

電力電子技術(shù)在過(guò)去幾十年間經(jīng)歷了巨大變革，徹底改變了電能生產(chǎn)、傳輸和消費(fèi)的方式。在整個(gè)能源鏈中，傳統(tǒng)單向開(kāi)關(guān)（UDS）長(zhǎng)期作為功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心組件，在眾多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)可靠性能。雖然這些器件也能很好地滿足開(kāi)發(fā)更高效電源管理解決方案的行業(yè)需求，但其固有局限性始終制約著工程師對(duì)更緊湊、高效和經(jīng)濟(jì)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的追求。英飛凌氮化鎵雙向開(kāi)關(guān)的問(wèn)世，將使這一局面得到徹底改變。

傳統(tǒng)方案的局限性

單向開(kāi)關(guān)的固有局限長(zhǎng)期困擾著工程師。在需要雙向電壓阻斷的應(yīng)用場(chǎng)景中，設(shè)計(jì)人員不得不采用多個(gè)分立器件背靠背連接，不僅使得系統(tǒng)復(fù)雜度、占板面積和成本都提高，還額外引入了導(dǎo)致開(kāi)關(guān)性能和效率降低的寄生參數(shù)。更關(guān)鍵的是，傳統(tǒng)三端單相開(kāi)關(guān)器件不具備獨(dú)立進(jìn)行雙向電流控制的靈活性，限制了其在先進(jìn)功率轉(zhuǎn)換拓?fù)渲械膽?yīng)用。

對(duì)更高功率密度、更高效率和更低系統(tǒng)成本的追求，使得這些挑戰(zhàn)變得愈發(fā)嚴(yán)峻。對(duì)于Vienna整流器、T型變換器和HERIC架構(gòu)等拓?fù)?，采用分立器件背靠背連接的傳統(tǒng)方案，已無(wú)法滿足持續(xù)演進(jìn)的市場(chǎng)需求。這讓開(kāi)發(fā)能夠突破這些根本性限制并實(shí)現(xiàn)全工況性能提升的創(chuàng)新解決方案成為當(dāng)務(wù)之急。

CoolGaN?雙向開(kāi)關(guān)（BDS）系列橫空出世

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，英飛凌率先推出了一項(xiàng)突破性解決方案：CoolGaN?雙向開(kāi)關(guān)（BDS）650V G5系列。這一創(chuàng)新器件系列為功率開(kāi)關(guān)技術(shù)帶來(lái)了一次革命性變化，可為新一代功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供前所未有的控制靈活性。與需要多個(gè)分立器件背靠背連接的傳統(tǒng)方案不同，這是一個(gè)能夠主動(dòng)實(shí)現(xiàn)雙向電壓和電流阻斷的單片集成式解決方案。

英飛凌CoolGaN?雙向開(kāi)關(guān)產(chǎn)品組合覆蓋多電壓等級(jí)需求：650V系列提供TOLT和DSO封裝，850V版本即將上市；同時(shí)推出最低40V起的低壓器件，它們?cè)谙M(fèi)電子領(lǐng)域可用作電池阻斷開(kāi)關(guān)。

CoolGaN? BDS 650V G5采用革命性的共漏雙柵結(jié)構(gòu)，并基于英飛凌歷經(jīng)驗(yàn)證的高可靠性柵極注入晶體管（GIT）技術(shù)。這一獨(dú)特架構(gòu)可通過(guò)單一漂移區(qū)實(shí)現(xiàn)雙向電壓阻斷，較之傳統(tǒng)背靠背方案顯著縮小了晶圓尺寸。緊湊型集成式設(shè)計(jì)不僅節(jié)省空間，還能降低寄生參數(shù)影響，從而實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)速度和更高的轉(zhuǎn)換效率。

技術(shù)創(chuàng)新：四象限工作

高壓CoolGaN? BDS系列的真正不同在于其前所未有的四象限控制能力。與傳統(tǒng)三端單向開(kāi)關(guān)不同的是，BDS擁有四個(gè)有源端子外加一個(gè)襯底端子。這種配置可支持四種工作模式：兩種傳統(tǒng)導(dǎo)通/關(guān)斷模式和兩種二極管模式，讓設(shè)計(jì)人員擁有了無(wú)與倫比的控制靈活性。

在雙向關(guān)斷模式下（開(kāi)關(guān)模式：關(guān)斷），當(dāng)雙柵極施加零/負(fù)偏壓時(shí)，該器件可雙向阻斷電壓，實(shí)現(xiàn)開(kāi)路。而在雙向?qū)Ｊ较拢ㄩ_(kāi)關(guān)模式：導(dǎo)通），當(dāng)雙柵極激活時(shí)，該器件允許電流雙向自由流動(dòng)，此時(shí)它的作用類(lèi)似于導(dǎo)通狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)MOSFET。這兩個(gè)模式相比傳統(tǒng)解決方案已能帶來(lái)很大優(yōu)勢(shì)，而真正的創(chuàng)新卻來(lái)自于兩個(gè)額外的二極管模式。

二極管模式——反向阻斷（RB）和正向阻斷（FB）——可使BDS選擇性阻斷一個(gè)方向的電壓，同時(shí)允許相反方向的電流流動(dòng)。在反向阻斷模式下，該器件阻斷自下而上的電壓，但允許電流自上而下流動(dòng)。而在正向阻斷模式下，該器件阻斷自上而下的電壓，但允許電流自下而上流動(dòng)。這兩個(gè)模式對(duì)于電壓阻斷方向已知的軟開(kāi)關(guān)操作尤為有益，可確保輸出電容安全放電，并實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。

圖1：CoolGaN? 雙向開(kāi)關(guān)650V G5的四種工作模式及十種可能的狀態(tài)轉(zhuǎn)換，突顯其獨(dú)一無(wú)二的能力與靈活性

工程卓越：集成襯底電壓控制

在CoolGaN? BDS設(shè)計(jì)中，襯底電壓控制是個(gè)重大技術(shù)難題。傳統(tǒng)單向開(kāi)關(guān)通常將襯底連接至源極以抑制背柵效應(yīng)，從而避免二維電子氣濃度降低。然而，這種方法并不適用于采用共漏雙源結(jié)構(gòu)的雙向開(kāi)關(guān)。若讓襯底懸空，將導(dǎo)致電位失控及有害的背柵效應(yīng)。

為了解決這一難題，英飛凌開(kāi)發(fā)了創(chuàng)新的單片集成襯底電壓控制電路。該創(chuàng)新方案可動(dòng)態(tài)選擇擁有最低電位的源極與襯底連接，無(wú)需外部輔助電路即可實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能。這種集成式設(shè)計(jì)使BDS在軟/硬開(kāi)關(guān)模式下均能保持卓越性能，從而靈活適配不同應(yīng)用場(chǎng)景下的性能和效率優(yōu)化需求。

性能卓越：特性參數(shù)的優(yōu)化

CoolGaN? BDS實(shí)現(xiàn)了全工況下的性能參數(shù)優(yōu)化。其中，源-源導(dǎo)通電阻（Rss(on)）作為最重要的性能參數(shù)之一，直接影響導(dǎo)通損耗和總體效率。靜態(tài)Rss(on)在25°C至150°C溫域內(nèi)呈現(xiàn)近似倍增特性（圖2），凸顯出系統(tǒng)設(shè)計(jì)中溫度管理的重要性。與某些在低溫范圍溫度系數(shù)呈負(fù)值的SiC MOSFET不同，CoolGaN? BDS即使在-40°C仍保持正溫度系數(shù)，確保了全溫域運(yùn)行可靠性。

通過(guò)調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)柵極電流，Rss(on)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)3%的優(yōu)化，但需權(quán)衡柵極電流損耗。此外，增大柵極電流可使飽和電流提升60%以上，有助于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)效率與性能的平衡。

圖2：CoolGaN? BDS在完整工作溫度范圍內(nèi)的Rss(on)歸一化值

動(dòng)態(tài)源-源導(dǎo)通電阻Rss(on)可反映CoolGaN? BDS在連續(xù)開(kāi)關(guān)期間的實(shí)際性能，該參數(shù)受阻斷電壓、開(kāi)關(guān)頻率及溫度的三重影響。利用改進(jìn)版自補(bǔ)償雙二極管通態(tài)壓降測(cè)量電路（OVMC），搭建一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器測(cè)試裝置：其中，BDS作為低邊開(kāi)關(guān)，SiC肖特基二極管作為高邊開(kāi)關(guān)并處于連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。

在50kHz和100kHz硬開(kāi)關(guān)頻率下，動(dòng)態(tài)Rss(on)與靜態(tài)值非常接近，僅增加5-7%。更高開(kāi)關(guān)頻率會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)Rss(on)增大，這是由于測(cè)量周期縮短所致。溫度對(duì)動(dòng)態(tài)Rss(on)也有影響，但CoolGaN? BDS在典型工況下可保持穩(wěn)定性能，確保其在終端應(yīng)用中具有可預(yù)測(cè)的性能表現(xiàn)。高穩(wěn)定性凸顯出器件設(shè)計(jì)的魯棒性，使其特別適用于高開(kāi)關(guān)頻率及溫度工況惡劣的應(yīng)用場(chǎng)景。

圖3：不同開(kāi)關(guān)頻率下CoolGaN? BDS在完整殼溫范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)Rss(on)歸一化值

軟開(kāi)關(guān)性能更為出色（如圖4所示）。在500kHz開(kāi)關(guān)頻率下，電壓為110V時(shí)動(dòng)態(tài)Rss(on)較靜態(tài)值僅增加約5%；電壓為400V時(shí)動(dòng)態(tài)Rss(on)較靜態(tài)值增加約16.5%。這種隨交流電網(wǎng)電壓變化的特性表明，基于交流電壓的全周期平均值進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化是切實(shí)可行的工程方法。更值得注意的是，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率從100kHz提高至300kHz時(shí)，動(dòng)態(tài)Rss(on)歸一化值僅增加至1.06，增幅僅為6%（參見(jiàn)圖5）。這充分顯示了軟開(kāi)關(guān)能夠有效減小開(kāi)關(guān)頻率對(duì)開(kāi)關(guān)性能的影響。

圖4：500 kHz開(kāi)關(guān)頻率下和不同阻斷電壓下CoolGaN? BDS在完整殼溫范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)Rss(on)歸一化值

圖5顯示了在400 V軟開(kāi)關(guān)模式下CoolGaN? BDS在完整殼溫范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)Rss(on)歸一化值。在100 kHz開(kāi)關(guān)頻率下，動(dòng)態(tài)Rss(on)約為1，接近于靜態(tài)值；隨著開(kāi)關(guān)頻率提高，動(dòng)態(tài)Rss(on)略微上升，在300 kHz開(kāi)關(guān)頻率下僅增加至1.06。這充分顯示了軟開(kāi)關(guān)能夠有效減小開(kāi)關(guān)頻率的影響，幫助提升開(kāi)關(guān)效率。

圖5：400 V 輸入電壓下和不同開(kāi)關(guān)頻率下CoolGaN? BDS在完整殼溫范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)Rss(on)歸一化值

開(kāi)關(guān)損耗：精確測(cè)量

精確測(cè)量開(kāi)關(guān)損耗是評(píng)估CoolGaN? BDS等寬禁帶器件效率的關(guān)鍵。目前尚無(wú)能準(zhǔn)確區(qū)分BDS開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗的方法。雖然軟開(kāi)關(guān)損耗極低，但由于襯底電壓控制電路相關(guān)損耗及輸出電容（Coss）滯回?fù)p耗的存在，開(kāi)通損耗仍不可視為零。因此，所有開(kāi)關(guān)損耗均以每周期開(kāi)關(guān)損耗（即開(kāi)通損耗與關(guān)斷損耗之和）來(lái)表示，單位為微焦耳（μJ）。

利用升壓轉(zhuǎn)換器測(cè)試裝置在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下進(jìn)行硬開(kāi)關(guān)損耗測(cè)量（圖6），從校準(zhǔn)熱損耗中減去導(dǎo)通損耗。測(cè)量顯示，在500kHz開(kāi)關(guān)頻率下，開(kāi)關(guān)損耗與關(guān)斷電流及輸入電壓成正比關(guān)系。

圖6：500 kHz開(kāi)關(guān)頻率下和兩個(gè)不同輸入電壓下CoolGaN? BDS 650 V G5（IGLT65R055B2）的每周期硬開(kāi)關(guān)損耗。

利用半橋配置在三角波電流模式下進(jìn)行三個(gè)電壓等級(jí)（110 V、240 V和400 V）下的軟開(kāi)關(guān)損耗評(píng)估（圖7）。結(jié)果顯示，軟開(kāi)關(guān)損耗顯著低于硬開(kāi)關(guān)。雖然無(wú)法分離單個(gè)開(kāi)關(guān)事件對(duì)應(yīng)的損耗，但每周期開(kāi)關(guān)損耗總計(jì)數(shù)據(jù)仍有助于設(shè)計(jì)人員精準(zhǔn)預(yù)測(cè)熱管理需求和優(yōu)化實(shí)際應(yīng)用的效率。

圖7：500 kHz開(kāi)關(guān)頻率下和三個(gè)不同輸入電壓下CoolGaN? BDS 650 V G5（IGLT65R055B2）的每周期軟開(kāi)關(guān)損耗。

設(shè)計(jì)考量：雙向開(kāi)關(guān)（BDS）與背靠背（B2B）比較

評(píng)估CoolGaN? BDS時(shí)，需將其與傳統(tǒng)背靠背結(jié)構(gòu)而非單個(gè)單向開(kāi)關(guān)進(jìn)行對(duì)比。

較之Si和SiC B2B結(jié)構(gòu)，CoolGaN? BDS具有更優(yōu)異的品質(zhì)因數(shù)（FoM），其源-源導(dǎo)通電阻與柵極電荷乘積（Rss(on) × QG）降低了85%以上。這使其每周期開(kāi)關(guān)損耗大幅降低，因此尤其適用于高開(kāi)關(guān)頻率的應(yīng)用。

圖8：不同技術(shù)（GaN、Si和SiC）下的雙向開(kāi)關(guān)與單向開(kāi)關(guān)B2B配置的FOM對(duì)比

柵極驅(qū)動(dòng)和電源

CoolGaN? BDS采用共漏雙柵結(jié)構(gòu)，每個(gè)柵極均以自身源極為參考電位進(jìn)行獨(dú)立控制，且需配置專(zhuān)屬的開(kāi)爾文源極端子作為柵極驅(qū)動(dòng)器的回流路徑。該BDS基于GIT技術(shù)，每個(gè)柵極需要一個(gè)RC外部驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制導(dǎo)通和穩(wěn)態(tài)柵極電流。

RC外部驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于其能夠在關(guān)斷時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生負(fù)柵極電壓，該特性是所有分立式GaN開(kāi)關(guān)器件的推薦設(shè)計(jì)。BDS的每個(gè)柵極需配備獨(dú)立的隔離型柵極驅(qū)動(dòng)器及隔離式輔助電源。因?yàn)橛行┕?jié)點(diǎn)可以共用一個(gè)電源，實(shí)際所需的輔助電源總數(shù)取決于具體電路拓?fù)洹?p>

柵極驅(qū)動(dòng)

英飛凌提供全面的EiceDRIVER?柵極驅(qū)動(dòng)器IC產(chǎn)品組合，它們擁有不同的隔離等級(jí)、電壓等級(jí)、保護(hù)特性、以及封裝選項(xiàng)。如表1所示，該IC系列可提供單通道配置。

表1：EiceDRIVER? 柵極驅(qū)動(dòng)器IC

 這些驅(qū)動(dòng)器IC與CoolGaN? BDS形成最佳組合，在高性能應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高效率、高魯棒性和高功率密度。

隔離式輔助電源

CoolGaN? BDS的隔離式輔助電源設(shè)計(jì)可采取不同的方案，每個(gè)方案各有優(yōu)劣。小型隔離式DC/DC模塊可簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，但成本較高。在電路板上集成脈沖變壓器的方案可大幅降低成本。

集成脈沖變壓器的方案雖然需要占用更多電路板空間，但能降低隔離式輔助電源的成本，并提供高度靈活性和支持定制化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員可將1EDN7512G驅(qū)動(dòng)器IC與脈沖變壓器結(jié)合，打造出緊湊、高效、滿足特定應(yīng)用需求的隔離式輔助電源。

重大變革與實(shí)用價(jià)值

CoolGaN? BDS可在眾多應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)革命性改變，其相比傳統(tǒng)解決方案具有顯著優(yōu)勢(shì)。其最直接的用途之一是，能夠取代已有系統(tǒng)中的背靠背分立器件。BDS可為Vienna整流器、T型變換器和HERIC架構(gòu)等應(yīng)用提供更高效、更經(jīng)濟(jì)的集成式解決方案。

更值得關(guān)注的是，BDS可在光伏微型逆變器等單級(jí)隔離拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)單級(jí)DC/AC變換。單器件實(shí)現(xiàn)雙向電壓阻斷，可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，減少元件數(shù)量，并提高效率。這可幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)更緊湊和經(jīng)濟(jì)高效的設(shè)計(jì)，并加快上市速度，從而在當(dāng)前瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)環(huán)境中占據(jù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

單級(jí)隔離式AC功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有多項(xiàng)重要優(yōu)勢(shì)：提高效率（由于變換級(jí)減少），減小尺寸，以及降低成本（通過(guò)使用高頻變壓器）。這種系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)更高靈活性，包括電壓調(diào)節(jié)、頻率切換、以及自然雙向功率流。雖然還須解決開(kāi)關(guān)損耗、EMI、控制復(fù)雜性、以及器件應(yīng)力等挑戰(zhàn)，但CoolGaN? BDS為克服這些障礙、開(kāi)發(fā)新一代功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)論：突破電力電子技術(shù)的極限

CoolGaN? BDS 650 V G5代表著功率開(kāi)關(guān)技術(shù)取得的一次重大飛躍，其解決了長(zhǎng)期困擾著設(shè)計(jì)人員的技術(shù)挑戰(zhàn)，為功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)啟了新的可能。由于可通過(guò)單器件實(shí)現(xiàn)雙向阻斷和導(dǎo)通能力，BDS可在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中幫助減少元件數(shù)量，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，并提升性能。

支持四種工作模式結(jié)合集成襯底電壓控制電路，使得BDS為新一代功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供了前所未有的控制靈活性。卓越的性能參數(shù)已通過(guò)先進(jìn)測(cè)量技術(shù)進(jìn)行精確量化，有助于設(shè)計(jì)人員精準(zhǔn)預(yù)測(cè)和優(yōu)化在實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)性能表現(xiàn)。

在電力電子行業(yè)持續(xù)追求更高效率、更高功率密度和更低成本的背景下，CoolGaN? BDS更加體現(xiàn)了英飛凌對(duì)創(chuàng)新和工程卓越的堅(jiān)定追求。通過(guò)挑戰(zhàn)傳統(tǒng)方案和開(kāi)發(fā)新的顛覆性解決方案，英飛凌不僅解決了當(dāng)前的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，也為未來(lái)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

對(duì)于想要走在電力電子技術(shù)前沿的設(shè)計(jì)人員而言，CoolGaN? BDS是一個(gè)融合了技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)用價(jià)值的有吸引力解決方案。無(wú)論您是設(shè)計(jì)光伏逆變器、電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)，還是其他功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，這項(xiàng)革命性技術(shù)都能幫助您打造更高效、緊湊和經(jīng)濟(jì)的產(chǎn)品，不僅滿足當(dāng)前市場(chǎng)需求，還能應(yīng)對(duì)未來(lái)的潛在挑戰(zhàn)。

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圖9：2025年的CoolGaN?雙向開(kāi)關(guān)（BDS）產(chǎn)品系列；標(biāo)注 * 的型號(hào)為在研產(chǎn)品。