在电动汽车、可再生能源发电、车对车通信以及储能等电力应用中，双向开关特别有用。这些开关能够高效地控制双向能量流动，确保在各种工作条件下的可靠和安全运行。基于这些技术的单片双向开关实现了高功率转换效率，并日益被认作为功率电子应用的行业标准。

　　双向电力流动

　　在目前由硅器件主导的功率器件市场中，GaN和SIC逐渐增加其市场份额。Power America的执行董事兼CTO Victor Veliadis博士说：“GaN和SiC功率器件市场都在迅速增长，预计到2029年，SiC和GaN的组合将占据整体功率器件市场的约50%，而硅占据剩下的50%。”

　　接下来，我们将看到宽禁带半导体如何成功地应用于双向电力应用。双向流动能够实现多种应用，包括：

　　电动汽车(车到电网G2V、电网到车V2G、车到家V2H、车到车V2V)

　　使用再生能源和/或储能组件的分布式和并网电力系统

　　数据中心电网服务(频率调节、需求管理、峰值转移)与双向UPS

　　固态断路器保护

　　双向DC-DC转换器

　　储能系统的充放电

　　再生电力(刹车、电梯、传送带)

　　横向和纵向配置

　　在900V以上，高功率器件通常采用纵向配置。市场上现有的GaN开关都是横向器件，漏极和栅极之间的间距决定了它们的击穿电压。如图1-a所示，间距越大，器件能够阻挡的电压越高。

图1B

　　“这也限制了GaN横向器件在高电压方面的应用。当栅极到漏极的间距变得非常大以适应高电压时，器件在晶圆上占用的空间开始过大，降低了产量，”Veliadis说。

　　现有或已展示的SiC功率器件采用纵向配置。纵向漂移层的掺杂和厚度决定了器件的击穿电压。一个600V的器件漂移层厚度约为4微米;而将厚度增加到100微米，可以得到一个12KV评级的器件(如图1-b所示)。在制造高压器件时，这是一个很大的优势，因为相应的器件面积没有增加。

　　默认情况下，GaN功率器件通常是常开型的。然而，对于某些应用，常闭型器件在故障安全操作条件下更受欢迎。如图2所示，获得常闭型GaN器件的常见方法是在栅极下方插入一个P掺杂的GaN层。非常重要的是，横向GaN器件的制造与硅的大规模制造兼容。

图2

　　如何制造GaN双向开关

　　“关于电流流动，GaN横向器件本质上是双向的。无论电流是从源极到漏极还是从漏极到源极，都是一样的，因为没有涉及体二极管。然而，这种配置的阻断是单向的，因为它由栅极到漏极的间距决定，”Veliadis说。

　　使器件在阻挡方面双向的一种方法是使栅极到漏极的间距等于源极到栅极的间距。这样，无论高电压来自源极还是漏极，你都可以从任一侧保持相同的电压，因为你的源极-栅极和栅极-漏极的间距是相同的。缺点是器件的单元间距增加了。

　　解决这一问题并保持单元间距最小的一种有趣方法是如图3所示的双栅结构。当高电压从源极二进入时，使用栅极一，并且公共漏极区域阻挡高电压，保持源极到栅极的间距较小。同样，如果高电压从源极一进入，栅极二将控制器件。

　　“双栅双向开关利用公共漏极区域，使器件的单元间距尽可能小，”Veliadis说。

　　松下公司展示了这一概念，使用一个常闭双栅单片GaN双向开关实现了对称的100A导电和1,100V阻断电压。

图3

　　如何制造SiC双向开关

　　SiC功率晶体管，无论是平面MOSFET、沟槽MOSFET还是JFET，主要是纵向配置，并且具有一个内部二极管，设置了对称双向电流流动的条件。尽管对称双向流动是可能的，但在双向电压方面阻断纵向器件成为一个问题。

　　一种可能的解决方案是如图4-a所示，在共源极配置中背靠背连接两个器件。这种配置允许你使用单个栅极驱动器控制双向阻断和导电。或者，你可以如图4-b所示，在共漏极配置中连接器件。在这种情况下，需要两个独立的栅极驱动器。你可以有一个具有公共漂移层的单个器件，如图4-c所示。

图4a

图4b

　　“共源极连接配置可以单片实现，意味着两个芯片在同一晶圆上背靠背连接。这种解决方案简化了封装，并有助于减少在宽禁带器件中至关重要的电感，”Veliadis说。

　　另一种方法是将两个SiC MOSFET在共漏极配置中连接，获得一个由两个不同栅极控制电流流动的四端开关。

　　共源逆变器应用

　　由传统硅开关(MOSFET、IGBT和二极管)构建的电压源逆变器(VSI)拓扑(如图5所示)有一些局限性。电容器往往相当脆弱且在温度上有限。此外，高dV/dt会对电机绝缘造成压力，导致电磁干扰(EMI)噪声中的共模现象。

图5

　　共源极配置(CSI)使用一个电感，一个非常坚固的组件，可以耐受高温。图5显示，CSI配置实现了非常低的谐波失真，减少了共模EMI和轴承电流。

　　宽禁带单片双向开关使共源逆变器能够克服VSI拓扑的局限性，并减少器件数量，因为VSI拓扑中使用的二极管不再需要。这也导致了更低的导通损耗和更高的效率和功率密度。

浮思特科技专注功率器件领域，为客户提供igbt、IPM模块等功率器件以及MCU和触控芯片，是一家拥有核心技术的电子元器件供应商和解决方案商。