【導(dǎo)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(tǒng)功率器件（如MOSFET或IGBT）僅支持單向主動(dòng)導(dǎo)通，反向電流需依賴體二極管或外接抗并聯(lián)二極管實(shí)現(xiàn)第三象限傳導(dǎo)。這種被動(dòng)式反向?qū)ú粌H缺乏門極控制能力，更因二極管壓降導(dǎo)致效率損失。為實(shí)現(xiàn)雙向可控傳導(dǎo)，工程師常采用背對(duì)背（B2B）拓?fù)浼?jí)聯(lián)兩個(gè)器件，卻因此犧牲了功率密度并增加了系統(tǒng)復(fù)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(tǒng)功率器件（如MOSFET或IGBT）僅支持單向主動(dòng)導(dǎo)通，反向電流需依賴體二極管或外接抗并聯(lián)二極管實(shí)現(xiàn)第三象限傳導(dǎo)。這種被動(dòng)式反向?qū)ú粌H缺乏門極控制能力，更因二極管壓降導(dǎo)致效率損失。為實(shí)現(xiàn)雙向可控傳導(dǎo)，工程師常采用背對(duì)背（B2B）拓?fù)浼?jí)聯(lián)兩個(gè)器件，卻因此犧牲了功率密度并增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。
由于有效的州電阻（RDSON）加倍，因此需要這些設(shè)備的平行組，以使返回到使用單向開(kāi)關(guān)獲得的值。可以執(zhí)行此類四季度操作的單片設(shè)備可以通過(guò)用單個(gè)設(shè)備替換四個(gè)活動(dòng)開(kāi)關(guān)來(lái)低系統(tǒng)大小和復(fù)雜性。 GAN在BDS中的使用可以在某些應(yīng)用程序中創(chuàng)造進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗膿p失較低和比傳統(tǒng)基于SI的設(shè)備更快地切換的能力。
讓我們看一下BDS設(shè)備可以發(fā)揮關(guān)鍵作用的一些關(guān)鍵應(yīng)用程序：
交流開(kāi)關(guān)：在許多應(yīng)用中，雙向AC-AC功率流的概念非常吸引人。考慮一個(gè)太陽(yáng)微型逆變器。標(biāo)準(zhǔn)方法是創(chuàng)建中間DC鏈路電壓，然后將其轉(zhuǎn)換為AC電壓，該電壓可以饋送到網(wǎng)格或用于消費(fèi)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(zhuǎn)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(jí)隔離電源轉(zhuǎn)換。大約在45年前，首次提出了一個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)。可以在交叉點(diǎn)的9個(gè)BDS設(shè)備連接兩個(gè)三相端口，并轉(zhuǎn)換電壓，頻率和功率因數(shù)。傳統(tǒng)的可變頻率驅(qū)動(dòng)器（VFD）通常采用包括AC-DC和DC鏈接在內(nèi)的兩個(gè)階段轉(zhuǎn)換，然后是DC-AC逆變器。當(dāng)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(jī)制動(dòng)時(shí)，無(wú)法再生供應(yīng)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(jù)估計(jì)，VFD在工業(yè)應(yīng)用中消耗了超過(guò)60％的電能。因此，使這些驅(qū)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(xiàn)這一目標(biāo)提供了途徑。較小的驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)與電動(dòng)機(jī)集成在一起，從而在減少電纜和寄生蟲方面取得了進(jìn)一步的優(yōu)勢(shì)。
在常規(guī)AC-DC轉(zhuǎn)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(shè)備，將生成的直流的中點(diǎn)連接回交流側(cè)。這些BTB開(kāi)關(guān)可將電流饋入輸入電感器，并補(bǔ)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，快速的離線電動(dòng)電動(dòng)汽車充電等。從本質(zhì)上講，T型轉(zhuǎn)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(jí)逆變器允許雙向功率流，可用于許多固態(tài)變壓器（SST）應(yīng)用。邪惡的逆變器在光伏（PV）應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)了許多用途。在這里，BDS在AC電源上創(chuàng)建旁路，以網(wǎng)格頻率切換并允許反應(yīng)電流流動(dòng)。在這些流行的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中，用整體式gan bds替換當(dāng)前的多顧問(wèn)BD會(huì)產(chǎn)生較低設(shè)備計(jì)數(shù)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?fù)渲惺褂玫腂DS設(shè)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(yīng)電動(dòng)機(jī)。正弦電流進(jìn)入電動(dòng)機(jī)可顯著提高電機(jī)設(shè)計(jì)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(hù)。 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(dāng)使用WBG設(shè)備時(shí)，電壓源逆變器（VSI）不太寬容地使用快速開(kāi)關(guān)，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)波形中的瞬時(shí)過(guò)電壓增加了EMI風(fēng)險(xiǎn)。這會(huì)強(qiáng)調(diào)電動(dòng)機(jī)繞組和軸承。盡管CSI逆變器面臨著獨(dú)特的挑戰(zhàn)，例如由于控制復(fù)雜性的增加而導(dǎo)致的成本更高，但它們對(duì)于高功率電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電飛機(jī)和HVDC傳輸?shù)臓顟B(tài)可能是的。 CSI驅(qū)動(dòng)器中使用的WBG設(shè)備可以以高頻切換，從而可以減小電感器尺寸。隨著輸出電容器形成低通濾波器，EMI風(fēng)險(xiǎn)降低。 CSI設(shè)計(jì)中已證明了GAN BDS設(shè)備2。雖然需要雙向電壓阻塞，但單向電流流量滿足要求，因此有可能簡(jiǎn)化所需的門控。這將在下面進(jìn)一步討論。
AC固態(tài)斷路器（SCCB）和電池?cái)嚅_(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(yīng)時(shí)間，低熱電阻包裝以及高電流故障清除到?S范圍內(nèi)。在此應(yīng)用程序中，該設(shè)備通常在靜態(tài)條件下運(yùn)行。用單個(gè)GAN BDS的MOSFET或IGBT的機(jī)械斷路器或抗系列組合替換在較低的模具和更有效的設(shè)備中具有優(yōu)勢(shì)。在使用甘恩（Gan Hemt）方面的一個(gè)顯著好處也是沒(méi)有重要的Spirito效應(yīng)，在某些條件下，可以降低基于SI的設(shè)備的安全操作區(qū)域（SOA）。電池?cái)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān)，例如在手機(jī)和筆記本電腦充電電路中。它們?cè)谶^(guò)電壓條件下提供斷開(kāi)連接，從而提供重要的保護(hù)功能。這些應(yīng)用中的BDS針對(duì)非常低的州電阻（<10MΩ），通常使用合并的源，單對(duì)接方法，而不是上述其他應(yīng)用中合并的排水，兩柵方法。現(xiàn)在將更詳細(xì)地描述這種合并的排水BDS設(shè)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(zhǎng)，產(chǎn)品定義和概念工程師Kennith Leong博士詳細(xì)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(qū)連接了這些HV BDS設(shè)備中的兩個(gè)大門和來(lái)源。 Infineon還計(jì)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?cái)嚅_(kāi)連接的應(yīng)用，這些應(yīng)用程序采用了Schottky Gate Gan Hemt Technology，以兩條插入，單門和常見(jiàn)的源設(shè)計(jì)。
圖1顯示了HV BDS設(shè)備的四種操作模式。當(dāng)兩個(gè)門都打開(kāi)時(shí)，設(shè)備通過(guò)VDS-IDS參數(shù)空間的起源表現(xiàn)出雙向傳導(dǎo)。當(dāng)只有一個(gè)門打開(kāi)時(shí)，就會(huì)展示設(shè)備的二極管模式，以便偏離門設(shè)備在其源供水電勢(shì)（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(zhuǎn)機(jī)。在GIT設(shè)備中，這發(fā)生在<2V。當(dāng)兩個(gè)門都關(guān)閉時(shí)，該設(shè)備在電壓下的阻塞明顯大于額定設(shè)備的電壓。
圖1：描繪HV Coolgan BDS設(shè)備的四種操作模式（來(lái)源：Infineon Technologies）
雙向設(shè)備中的重要設(shè)計(jì)考慮因素是控制底物電位。理想情況下應(yīng)以電位保持，通常是設(shè)備源電壓。由于這兩個(gè)來(lái)源在此應(yīng)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(duì)稱的狀態(tài)行為，同時(shí)浮動(dòng)，這可能會(huì)導(dǎo)致反向偏置顯著增加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改善。共享排水口可顯著改善特定的R DSON，從而允許較低的凈模層區(qū)域，從而降低開(kāi)關(guān)和動(dòng)態(tài)傳導(dǎo)損失。在這些BDS設(shè)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(shè)備能夠通過(guò)重復(fù)的10-100?s測(cè)試，對(duì)此特征的單向gan hemts的顯著改善。
圖2：與SI和SIC MOSFET背對(duì)背配置的HV Coolgan BDS設(shè)備的損耗比較（來(lái)源：Infineon Technologies）
計(jì)劃在Q2 2025以25MΩ和TOLT和DSO TSC軟件包中的110MΩ等級(jí)發(fā)射650 V HV BDS。計(jì)劃在未來(lái)的路線圖中計(jì)劃進(jìn)行850個(gè)V設(shè)備。 Infineon證明的一個(gè)概念可以簡(jiǎn)化上述CSI應(yīng)用程序中這些設(shè)備的使用是一種混合BDS設(shè)備。在這里，（d-Mode）Hemt上通常將標(biāo)準(zhǔn)電子模式設(shè)備作為BDS結(jié)合使用。該D模式設(shè)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的要求。
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