氮化鎵雙向開關推動電力電子技術變革

單器件雙向控制，開啟無限可能

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

校對：宋清亮英飛凌消費、計算與通訊業務大中華區技術市場總監

電力電子技術在過去幾十年間經歷了巨大變革，徹底改變了電能生產、傳輸和消費的方式。在整個能源鏈中，傳統單向開關（UDS）長期作為功率轉換系統的核心組件，在眾多應用領域實現可靠性能。雖然這些器件也能很好地滿足開發更高效電源管理解決方案的行業需求，但其固有局限性始終制約著工程師對更緊湊、高效和經濟的功率轉換系統的追求。英飛凌氮化鎵雙向開關的問世，將使這一局面得到徹底改變。

傳統方案的局限性

單向開關的固有局限長期困擾著工程師。在需要雙向電壓阻斷的應用場景中，設計人員不得不采用多個分立器件背靠背連接，不僅使得系統復雜度、占板面積和成本都提高，還額外引入了導致開關性能和效率降低的寄生參數。更關鍵的是，傳統三端單相開關器件不具備獨立進行雙向電流控制的靈活性，限制了其在先進功率轉換拓撲中的應用。

對更高功率密度、更高效率和更低系統成本的追求，使得這些挑戰變得愈發嚴峻。對于Vienna整流器、T型變換器和HERIC架構等拓撲，采用分立器件背靠背連接的傳統方案，已無法滿足持續演進的市場需求。這讓開發能夠突破這些根本性限制并實現全工況性能提升的創新解決方案成為當務之急。

CoolGaN?雙向開關（BDS）系列橫空出世

為了應對這些挑戰，英飛凌率先推出了一項突破性解決方案：CoolGaN?雙向開關（BDS）650V G5系列。這一創新器件系列為功率開關技術帶來了一次革命性變化，可為新一代功率轉換系統提供前所未有的控制靈活性。與需要多個分立器件背靠背連接的傳統方案不同，這是一個能夠主動實現雙向電壓和電流阻斷的單片集成式解決方案。

英飛凌CoolGaN?雙向開關產品組合覆蓋多電壓等級需求：650V系列提供TOLT和DSO封裝，850V版本即將上市；同時推出最低40V起的低壓器件，它們在消費電子領域可用作電池阻斷開關。

CoolGaN? BDS 650V G5采用革命性的共漏雙柵結構，并基于英飛凌歷經驗證的高可靠性柵極注入晶體管（GIT）技術。這一獨特架構可通過單一漂移區實現雙向電壓阻斷，較之傳統背靠背方案顯著縮小了晶圓尺寸。緊湊型集成式設計不僅節省空間，還能降低寄生參數影響，從而實現更快的開關速度和更高的轉換效率。

技術創新：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。與傳統三端單向開關不同的是，BDS擁有四個有源端子外加一個襯底端子。這種配置可支持四種工作模式：兩種傳統導通/關斷模式和兩種二極管模式，讓設計人員擁有了無與倫比的控制靈活性。

在雙向關斷模式下（開關模式：關斷），當雙柵極施加零/負偏壓時，該器件可雙向阻斷電壓，實現開路。而在雙向導通模式下（開關模式：導通），當雙柵極激活時，該器件允許電流雙向自由流動，此時它的作用類似于導通狀態下的標準MOSFET。這兩個模式相比傳統解決方案已能帶來很大優勢，而真正的創新卻來自于兩個額外的二極管模式。

二極管模式——反向阻斷（RB）和正向阻斷（FB）——可使BDS選擇性阻斷一個方向的電壓，同時允許相反方向的電流流動。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。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。這兩個模式對于電壓阻斷方向已知的軟開關操作尤為有益，可確保輸出電容安全放電，并實現性能優化。

圖1：CoolGaN? 雙向開關650V G5的四種工作模式及十種可能的狀態轉換，突顯其獨一無二的能力與靈活性

工程卓越：集成襯底電壓控制

在CoolGaN? BDS設計中，襯底電壓控制是個重大技術難題。傳統單向開關通常將襯底連接至源極以抑制背柵效應，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構的雙向開關。若讓襯底懸空，將導致電位失控及有害的背柵效應。

為了解決這一難題，英飛凌開發了創新的單片集成襯底電壓控制電路。該創新方案可動態選擇擁有最低電位的源極與襯底連接，無需外部輔助電路即可實現最優性能。這種集成式設計使BDS在軟/硬開關模式下均能保持卓越性能，從而靈活適配不同應用場景下的性能和效率優化需求。

性能卓越：特性參數的優化

CoolGaN? BDS實現了全工況下的性能參數優化。其中，源-源導通電阻（R_ss(on)）作為最重要的性能參數之一，直接影響導通損耗和總體效率。靜態R_ss(on)在25°C至150°C溫域內呈現近似倍增特性（圖2），凸顯出系統設計中溫度管理的重要性。與某些在低溫范圍溫度系數呈負值的SiC MOSFET不同，CoolGaN? BDS即使在-40°C仍保持正溫度系數，確保了全溫域運行可靠性。

通過調節穩態柵極電流，R_ss(on)可實現高達3%的優化，但需權衡柵極電流損耗。此外，增大柵極電流可使飽和電流提升60%以上，有助于在系統設計中實現效率與性能的平衡。

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

動態源-源導通電阻R_ss(on)可反映CoolGaN? BDS在連續開關期間的實際性能，該參數受阻斷電壓、開關頻率及溫度的三重影響。利用改進版自補償雙二極管通態壓降測量電路（OVMC），搭建一個升壓轉換器測試裝置：其中，BDS作為低邊開關，SiC肖特基二極管作為高邊開關并處于連續導通模式（CCM）。

在50kHz和100kHz硬開關頻率下，動態R_ss(on)與靜態值非常接近，僅增加5-7%。更高開關頻率會導致動態R_ss(on)增大，這是由于測量周期縮短所致。溫度對動態R_ss(on)也有影響，但CoolGaN? BDS在典型工況下可保持穩定性能，確保其在終端應用中具有可預測的性能表現。高穩定性凸顯出器件設計的魯棒性，使其特別適用于高開關頻率及溫度工況惡劣的應用場景。

圖3：不同開關頻率下CoolGaN? BDS在完整殼溫范圍內的動態R_ss(on)歸一化值

軟開關性能更為出色（如圖4所示）。在500kHz開關頻率下，電壓為110V時動態R_ss(on)較靜態值僅增加約5%；電壓為400V時動態R_ss(on)較靜態值增加約16.5%。這種隨交流電網電壓變化的特性表明，基于交流電壓的全周期平均值進行系統設計優化是切實可行的工程方法。更值得注意的是，當開關頻率從100kHz提高至300kHz時，動態R_ss(on)歸一化值僅增加至1.06，增幅僅為6%（參見圖5）。這充分顯示了軟開關能夠有效減小開關頻率對開關性能的影響。

圖4：500 kHz開關頻率下和不同阻斷電壓下CoolGaN? BDS在完整殼溫范圍內的動態R_ss(on)歸一化值

圖5顯示了在400 V軟開關模式下CoolGaN? BDS在完整殼溫范圍內的動態R_ss(on)歸一化值。在100 kHz開關頻率下，動態R_ss(on)約為1，接近于靜態值；隨著開關頻率提高，動態R_ss(on)略微上升，在300 kHz開關頻率下僅增加至1.06。這充分顯示了軟開關能夠有效減小開關頻率的影響，幫助提升開關效率。

圖5：400 V 輸入電壓下和不同開關頻率下CoolGaN? BDS在完整殼溫范圍內的動態R_ss(on)歸一化值

開關損耗：精確測量

精確測量開關損耗是評估CoolGaN? BDS等寬禁帶器件效率的關鍵。目前尚無能準確區分BDS開通損耗和關斷損耗的方法。雖然軟開關損耗極低，但由于襯底電壓控制電路相關損耗及輸出電容（C_oss）滯回損耗的存在，開通損耗仍不可視為零。因此，所有開關損耗均以每周期開關損耗（即開通損耗與關斷損耗之和）來表示，單位為微焦耳（μJ）。

利用升壓轉換器測試裝置在連續導通模式（CCM）下進行硬開關損耗測量（圖6），從校準熱損耗中減去導通損耗。測量顯示，在500kHz開關頻率下，開關損耗與關斷電流及輸入電壓成正比關系。

圖6：500 kHz開關頻率下和兩個不同輸入電壓下CoolGaN? BDS 650 V G5（IGLT65R055B2）的每周期硬開關損耗。

利用半橋配置在三角波電流模式下進行三個電壓等級（110 V、240 V和400 V）下的軟開關損耗評估（圖7）。結果顯示，軟開關損耗顯著低于硬開關。雖然無法分離單個開關事件對應的損耗，但每周期開關損耗總計數據仍有助于設計人員精準預測熱管理需求和優化實際應用的效率。

圖7：500 kHz開關頻率下和三個不同輸入電壓下CoolGaN? BDS 650 V G5（IGLT65R055B2）的每周期軟開關損耗。

設計考量：雙向開關（BDS）與背靠背（B2B）比較

評估CoolGaN? BDS時，需將其與傳統背靠背結構而非單個單向開關進行對比。

較之Si和SiC B2B結構，CoolGaN? BDS具有更優異的品質因數（FoM），其源-源導通電阻與柵極電荷乘積（R_ss(on) ×Q_G）降低了85%以上。這使其每周期開關損耗大幅降低，因此尤其適用于高開關頻率的應用。

圖8：不同技術（GaN、Si和SiC）下的雙向開關與單向開關B2B配置的FOM對比柵極驅動和電源

CoolGaN? BDS采用共漏雙柵結構，每個柵極均以自身源極為參考電位進行獨立控制，且需配置專屬的開爾文源極端子作為柵極驅動器的回流路徑。該BDS基于GIT技術，每個柵極需要一個RC外部驅動電路來控制導通和穩態柵極電流。

RC外部驅動電路的關鍵優勢在于其能夠在關斷時自動產生負柵極電壓，該特性是所有分立式GaN開關器件的推薦設計。BDS的每個柵極需配備獨立的隔離型柵極驅動器及隔離式輔助電源。因為有些節點可以共用一個電源，實際所需的輔助電源總數取決于具體電路拓撲。

柵極驅動

英飛凌提供全面的EiceDRIVER?柵極驅動器IC產品組合，它們擁有不同的隔離等級、電壓等級、保護特性、以及封裝選項。如表1所示，該IC系列可提供單通道配置。

表1：EiceDRIVER? 柵極驅動器IC

這些驅動器IC與CoolGaN? BDS形成最佳組合，在高性能應用中實現高效率、高魯棒性和高功率密度。訪問www.infineon.com/gatedrivers，獲取關于EiceDRIVER?產品系列及相關評估板的更多信息。

隔離式輔助電源

CoolGaN? BDS的隔離式輔助電源設計可采取不同的方案，每個方案各有優劣。小型隔離式DC/DC模塊可簡化設計，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計。設計人員可將1EDN7512G驅動器IC與脈沖變壓器結合，打造出緊湊、高效、滿足特定應用需求的隔離式輔助電源。

重大變革與實用價值

CoolGaN? BDS可在眾多應用領域帶來革命性改變，其相比傳統解決方案具有顯著優勢。其最直接的用途之一是，能夠取代已有系統中的背靠背分立器件。BDS可為Vienna整流器、T型變換器和HERIC架構等應用提供更高效、更經濟的集成式解決方案。

更值得關注的是，BDS可在光伏微型逆變器等單級隔離拓撲中實現單級DC/AC變換。單器件實現雙向電壓阻斷，可簡化電路設計，減少元件數量，并提高效率。這可幫助設計人員實現更緊湊和經濟高效的設計，并加快上市速度，從而在當前瞬息萬變的市場環境中占據競爭優勢。

單級隔離式AC功率轉換系統具有多項重要優勢：提高效率（由于變換級減少），減小尺寸，以及降低成本（通過使用高頻變壓器）。這種系統還能實現更高靈活性，包括電壓調節、頻率切換、以及自然雙向功率流。雖然還須解決開關損耗、EMI、控制復雜性、以及器件應力等挑戰，但CoolGaN? BDS為克服這些障礙、開發新一代功率轉換系統奠定了基礎。

結論：突破電力電子技術的極限

CoolGaN? BDS 650 V G5代表著功率開關技術取得的一次重大飛躍，其解決了長期困擾著設計人員的技術挑戰，為功率轉換系統設計開啟了新的可能。由于可通過單器件實現雙向阻斷和導通能力，BDS可在眾多應用場景中幫助減少元件數量，簡化設計，并提升性能。

支持四種工作模式結合集成襯底電壓控制電路，使得BDS為新一代功率轉換系統提供了前所未有的控制靈活性。卓越的性能參數已通過先進測量技術進行精確量化，有助于設計人員精準預測和優化在實際應用中的系統性能表現。

在電力電子行業持續追求更高效率、更高功率密度和更低成本的背景下，CoolGaN? BDS更加體現了英飛凌對創新和工程卓越的堅定追求。通過挑戰傳統方案和開發新的顛覆性解決方案，英飛凌不僅解決了當前的設計挑戰，也為未來的功率轉換系統設計奠定了基礎。

對于想要走在電力電子技術前沿的設計人員而言，CoolGaN? BDS是一個融合了技術創新與實用價值的有吸引力解決方案。無論您是設計光伏逆變器、電源、電機驅動，還是其他功率轉換系統，這項革命性技術都能幫助您打造更高效、緊湊和經濟的產品，不僅滿足當前市場需求，還能應對未來的潛在挑戰。

訪問www.infineon.com/gan-bds-hv，了解關于CoolGaN? BDS 650 V G5的更多信息，探索這項先進解決方案如何能為您的下一個設計帶來革命性改變。雙向開關的未來已來，答案就在CoolGaN? BDS！

圖9：2025年的CoolGaN?雙向開關（BDS）產品系列；標注 * 的型號為在研產品。