【導讀】氮化鎵（GaN）單片雙向開(kāi)關(guān)正重新定義功率器件的電流控制范式。 傳統功率器件（如MOSFET或IGBT）僅支持單向主動(dòng)導通，反向電流需依賴(lài)體二極管或外接抗并聯(lián)二極管實(shí)現第三象限傳導。這種被動(dòng)式反向導通不僅缺乏門(mén)極控制能力，更因二極管壓降導致效率損失。為實(shí)現雙向可控傳導，工程師常采用背對背（B2B）拓撲級聯(lián)兩個(gè)器件，卻因此犧牲了功率密度并增加了系統復雜度。
氮化鎵（GaN）單片雙向開(kāi)關(guān)正重新定義功率器件的電流控制范式。 傳統功率器件（如MOSFET或IGBT）僅支持單向主動(dòng)導通，反向電流需依賴(lài)體二極管或外接抗并聯(lián)二極管實(shí)現第三象限傳導。這種被動(dòng)式反向導通不僅缺乏門(mén)極控制能力，更因二極管壓降導致效率損失。為實(shí)現雙向可控傳導，工程師常采用背對背（B2B）拓撲級聯(lián)兩個(gè)器件，卻因此犧牲了功率密度并增加了系統復雜度。
由于有效的州電阻（RDSON）加倍，因此需要這些設備的平行組，以使返回到使用單向開(kāi)關(guān)獲得的值?？梢詧绦写祟?lèi)四季度操作的單片設備可以通過(guò)用單個(gè)設備替換四個(gè)活動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)低系統大小和復雜性。 GAN在BDS中的使用可以在某些應用程序中創(chuàng )造進(jìn)一步的優(yōu)勢，因為它的損失較低和比傳統基于SI的設備更快地切換的能力。
讓我們看一下BDS設備可以發(fā)揮關(guān)鍵作用的一些關(guān)鍵應用程序：
交流開(kāi)關(guān)：在許多應用中，雙向AC-AC功率流的概念非常吸引人?？紤]一個(gè)太陽(yáng)微型逆變器。標準方法是創(chuàng )建中間DC鏈路電壓，然后將其轉換為AC電壓，該電壓可以饋送到網(wǎng)格或用于消費者使用。直流鏈接電容器可能很大，增加了尺寸和成本。 AC-DC-AC過(guò)程涉及通過(guò)每個(gè)功率轉換階段的效率降低。另一個(gè)示例是板載充電器（OBC），其中使用AC開(kāi)關(guān)可以單級隔離電源轉換。大約在45年前，首次提出了一個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)?？梢栽诮徊纥c(diǎn)的9個(gè)BDS設備連接兩個(gè)三相端口，并轉換電壓，頻率和功率因數。傳統的可變頻率驅動(dòng)器（VFD）通常采用包括AC-DC和DC鏈接在內的兩個(gè)階段轉換，然后是DC-AC逆變器。當使用二極管整流器時(shí)會(huì )產(chǎn)生諧波，并且在制動(dòng)電動(dòng)機制動(dòng)時(shí)，無(wú)法再生供應回電源。直流鏈路電容器是典型的故障點(diǎn)，可能是笨重的。據估計，VFD在工業(yè)應用中消耗了超過(guò)60％的電能。因此，使這些驅動(dòng)器更加可靠，健壯和有效，同時(shí)提高功率密度可以產(chǎn)生重大的積極影響，而B(niǎo)DS為實(shí)現這一目標提供了途徑。較小的驅動(dòng)器可能會(huì )與電動(dòng)機集成在一起，從而在減少電纜和寄生蟲(chóng)方面取得了進(jìn)一步的優(yōu)勢。
在常規AC-DC轉換器中替換B2B開(kāi)關(guān)：讓我們考慮一下維也納整流器的示例。這是一個(gè)簡(jiǎn)單的集成增壓二極管橋，并帶有添加的BTB設備，將生成的直流的中點(diǎn)連接回交流側。這些BTB開(kāi)關(guān)可將電流饋入輸入電感器，并補償3 rd諧波失真，從而控制輸入電流形狀。這種流行的整流器已用于電信電源，快速的離線(xiàn)電動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)充電等。從本質(zhì)上講，T型轉換器是維也納新娘中的二極管替換為MOSFET等主動(dòng)開(kāi)關(guān)的二極管。這些三級逆變器允許雙向功率流，可用于許多固態(tài)變壓器（SST）應用。邪惡的逆變器在光伏（PV）應用中發(fā)現了許多用途。在這里，BDS在A(yíng)C電源上創(chuàng )建旁路，以網(wǎng)格頻率切換并允許反應電流流動(dòng)。在這些流行的轉換器設計中，用整體式gan bds替換當前的多顧問(wèn)BD會(huì )產(chǎn)生較低設備計數的好處，而使用GAN更快的切換可以降低被動(dòng)組件大小。這些三層拓撲中使用的BDS設備只需維持總直流電壓的一半即可。
電流源逆變器（CSI）：帶定子電流的CSI飼料感應電動(dòng)機。正弦電流進(jìn)入電動(dòng)機可顯著(zhù)提高電機設計和可靠性。 CSIS中使用的大型電感器可提供固有的過(guò)載和短路保護。 CSI的需要開(kāi)關(guān)可以在兩個(gè)方向上阻塞電壓，因此MOSFET或IGBT需要串聯(lián)二極管。當使用WBG設備時(shí)，電壓源逆變器（VSI）不太寬容地使用快速開(kāi)關(guān)，因為開(kāi)關(guān)波形中的瞬時(shí)過(guò)電壓增加了EMI風(fēng)險。這會(huì )強調電動(dòng)機繞組和軸承。盡管CSI逆變器面臨著(zhù)獨特的挑戰，例如由于控制復雜性的增加而導致的成本更高，但它們對于高功率電動(dòng)機驅動(dòng)器，電飛機和HVDC傳輸的狀態(tài)可能是的。 CSI驅動(dòng)器中使用的WBG設備可以以高頻切換，從而可以減小電感器尺寸。隨著(zhù)輸出電容器形成低通濾波器，EMI風(fēng)險降低。 CSI設計中已證明了GAN BDS設備2。雖然需要雙向電壓阻塞，但單向電流流量滿(mǎn)足要求，因此有可能簡(jiǎn)化所需的門(mén)控。這將在下面進(jìn)一步討論。
AC固態(tài)斷路器（SCCB）和電池斷開(kāi)：AC SCCB需要雙向，可靠的過(guò)電壓特性，較低的狀態(tài)電阻，快速響應時(shí)間，低熱電阻包裝以及高電流故障清除到?S范圍內。在此應用程序中，該設備通常在靜態(tài)條件下運行。用單個(gè)GAN BDS的MOSFET或IGBT的機械斷路器或抗系列組合替換在較低的模具和更有效的設備中具有優(yōu)勢。在使用甘恩（Gan Hemt）方面的一個(gè)顯著(zhù)好處也是沒(méi)有重要的Spirito效應，在某些條件下，可以降低基于SI的設備的安全操作區域（SOA）。電池斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，例如在手機和筆記本電腦充電電路中。它們在過(guò)電壓條件下提供斷開(kāi)連接，從而提供重要的保護功能。這些應用中的BDS針對非常低的州電阻（<10MΩ），通常使用合并的源，單對接方法，而不是上述其他應用中合并的排水，兩柵方法?，F在將更詳細地描述這種合并的排水BDS設備。
gan hv-bds
在近的Infineon 2025 Wide-Bandgap開(kāi)發(fā)人員論壇上，Coolgan HV BDS的校長(cháng)，產(chǎn)品定義和概念工程師Kennith Leong博士詳細描述了Infineon的GAN BDS Switch。 HV BDS開(kāi)關(guān)的額定值為650 V和850 V，并基于Infineon的柵極注入晶體管（GIT）GAN技術(shù)。合并后的中央排水區連接了這些HV BDS設備中的兩個(gè)大門(mén)和來(lái)源。 Infineon還計劃釋放MV BDS開(kāi)關(guān)，該開(kāi)關(guān)的額定功能為40 V - 120 V，用于靜態(tài)電池斷開(kāi)連接的應用，這些應用程序采用了Schottky Gate Gan Hemt Technology，以?xún)蓷l插入，單門(mén)和常見(jiàn)的源設計。
圖1顯示了HV BDS設備的四種操作模式。當兩個(gè)門(mén)都打開(kāi)時(shí)，設備通過(guò)VDS-IDS參數空間的起源表現出雙向傳導。當只有一個(gè)門(mén)打開(kāi)時(shí)，就會(huì )展示設備的二極管模式，以便偏離門(mén)設備在其源供水電勢（VSD）何時(shí)超過(guò)HEMT的有效閾值電壓（VTH - VGS）時(shí)有效地控制轉機。在GIT設備中，這發(fā)生在<2V。當兩個(gè)門(mén)都關(guān)閉時(shí)，該設備在電壓下的阻塞明顯大于額定設備的電壓。
圖1：描繪HV Coolgan BDS設備的四種操作模式（來(lái)源：Infineon Technologies）
雙向設備中的重要設計考慮因素是控制底物電位。理想情況下應以電位保持，通常是設備源電壓。由于這兩個(gè)來(lái)源在此應用程序中可能具有不同的潛力，因此將底物與其中一個(gè)綁定到一個(gè)不對稱(chēng)的狀態(tài)行為，同時(shí)浮動(dòng)，這可能會(huì )導致反向偏置顯著(zhù)增加RDSON。 Infineon通過(guò)使用單片智能技術(shù)來(lái)將基板動(dòng)態(tài)連接到潛力的源來(lái)解決此問(wèn)題。這樣可以確保近乎理想的軟開(kāi)關(guān)行為。
硬化和軟開(kāi)關(guān)下的功率損耗的比較如圖2所示。此處的B2B SI和SIC MOSFET與GAN BDS進(jìn)行了比較，因此凈R DSON是相同的。如所見(jiàn)，在100 kHz開(kāi)關(guān)頻率下，BDS可以看到損失的顯著(zhù)改善。共享排水口可顯著(zhù)改善特定的R DSON，從而允許較低的凈模層區域，從而降低開(kāi)關(guān)和動(dòng)態(tài)傳導損失。在這些BDS設備中看到的一個(gè)重要的改進(jìn)是自限制的短路行為，該設備能夠通過(guò)重復的10-100?s測試，對此特征的單向gan hemts的顯著(zhù)改善。
圖2：與SI和SIC MOSFET背對背配置的HV Coolgan BDS設備的損耗比較（來(lái)源：Infineon Technologies）
計劃在Q2 2025以25MΩ和TOLT和DSO TSC軟件包中的110MΩ等級發(fā)射650 V HV BDS。計劃在未來(lái)的路線(xiàn)圖中計劃進(jìn)行850個(gè)V設備。 Infineon證明的一個(gè)概念可以簡(jiǎn)化上述CSI應用程序中這些設備的使用是一種混合BDS設備。在這里，（d-Mode）Hemt上通常將標準電子模式設備作為BDS結合使用。該D模式設備的柵極源路徑中的cascoded LV Schottky二極管控制其行為外部，因此消除了控制此門(mén)的要求。
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