在最近的PowerUP和Fortronic会议及展览上，英飞凌科技公司展示了基于氮化镓的双向开关(BDS)，阐述了它们如何改善电源转换系统的设计，最终实现单级电源转换拓扑。

　　英飞凌的单片双向氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)，基于其CoolGaN技术，代表了电力电子领域的一项显著创新，特别是在实现单级电源转换方面。这些BDS促进了具有更少组件、降低成本和简化设计的转换器的开发，相较于传统的两级方法，提供了显著的优势。

　　传统两级转换与单级转换

　　在传统的两级电源转换系统中，功率因数校正(PFC)和直流/直流转换是分开处理的，这需要多个组件，并导致更高的成本、更大的外形尺寸和更大的复杂性。

　　由氮化镓BDS(见图1)实现的单级转换消除了中间的直流连接，增加了功率密度和效率，并降低了外形尺寸和成本。此外，它支持双向功率流，这是连接电网的应用(如储能系统和电动汽车充电器)的关键因素。

图1

　　单片氮化镓BDS的独特之处

　　英飞凌的单片BDS利用了横向氮化镓器件结构的固有优势，使真正的四象限开关成为可能。这些器件能够在两个极性下导电和阻断电压，非常适合紧凑且高效的电源系统。

　　基于CoolGaN的BDS HEMT通过集成两个独立隔离的栅极的单片结构(见图2a)实现双向性。这种配置允许它通过独立控制每个栅极的开/关状态在两个方向上导电。

　　两个栅极共享一个漂移区，这意味着无论电流方向如何，它都可以阻挡电压。这种结构简化了设计，因为一个BDS可以替代在需要双向电流流动的电路中使用的多个晶体管，例如交流/直流转换器和电源逆变器(见图2b)。

图2

　　BDS技术的关键特征总结如下：

　　两个栅极的独立隔离控制，支持多种操作模式

　　共享漂移区，能够在两个方向上阻挡电压，降低材料和制造复杂性

　　集成的基底电压控制电路，动态将基底连接到最低电位的源，简化设计并消除外部基底电路

　　这一集成确保在软开关和硬开关场景下接近理想的性能，解决了氮化镓技术中的传统挑战。最终结果是一个高度可靠且用户友好的解决方案，无需系统设计师额外努力。

　　氮化镓的横向结构

　　氮化镓器件的横向结构对于实现真正的四象限开关操作至关重要，这指的是开关能够在两个极性下导电和阻断电压的能力。这一能力对于高级电源转换系统中的双向功率流至关重要。

　　在垂直器件中，例如硅IGBT和硅碳化硅MOSFET，电流垂直流动通过基底。阻断电压能力是单向的，因为电流路径和电场分布优化为一个极性。双向操作需要额外的组件(例如反向二极管)，增加了复杂性和损耗。

　　在横向功率器件中，例如氮化镓HEMT，电流平行于基底表面流动，器件可以设计为允许双向电流流动。氮化镓HEMT的一个关键优势是高迁移率二维电子气(2DEG)通道的形成，该通道位于氮化镓和铝镓氮层的界面。该通道导电性极好，支持非常低阻抗的横向电流流动。

　　解决基底挑战

　　英飞凌的CoolGaN、CoolMOS和CoolSIC产品系列中的氮化镓单向开关将基底用作开关器件的源端(见图3a)。然而，在单片BDS中，出现了一个问题，因为漂浮基底与两个源(S1和S2)不重合(见图3b)。

　　必须解决这个问题，因为漂浮基底可能导致不受控制的基底电位，并由于背栅效应降低二维电子气中的电子浓度。英飞凌的CoolGaN BDS通过直接在同一芯片上集成基底电压控制电路来解决这个问题(见图3c)。该电路动态地将基底连接到最低电位的源。

图3

　　使用氮化镓BDS进行单级转换的一些优势包括：

　　降低组件数量：通过将PFC和直流/直流转换功能合并为一个阶段，所需的组件减少，从而降低制造和组装成本。

　　简化设计：通过集成的基底控制和紧凑设计，英飞凌的氮化镓BDS最大程度地减少了设计复杂性，加快开发周期。

　　更高的效率：CoolGaN BDS实现了近乎理想的开关行为，提高了高功率应用中的整体效率。

　　紧凑和轻量：消除直流连接和减少组件数量使得设计更小、更轻，适合空间有限的应用。

　　双向功率流：支持双向功率传输对现代电网连接系统和可再生能源应用至关重要。

　　目标应用和性能指标

　　CoolGaN BDS产品系列包括三种器件，均具有650 V电压等级、TO引线顶冷却封装和不同的导通电阻值(典型值为110 mΩ、55 mΩ和35 mΩ)。

　　英飞凌的CoolGaN BDS针对的应用包括储能系统、电动汽车充电器和高性能工业转换器。得益于其单片设计，BDS表现出优异的热性能、低导通损耗和各类功率等级的可扩展性。典型的软开关和硬开关波形如图4所示。

图4

　　单级隔离电源转换拓扑，无论是谐振还是非谐振，都需要额定电压为900至1200 V的开关器件。其他拓扑，例如三相双向变换功率因数校正(PFC)和三相固定频率谐振变换器，仅需650 V额定开关，并可通过BDS器件实现。

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