電子發(fā)燒友綜合報(bào)道 最近多家GaN廠商推出雙向GaN功率開關(guān)，即GaN BDS（Bidirectional Switch，雙向開關(guān)）。這是一種較為新型的GaN功率器件產(chǎn)品，顧名思義，雙向GaN主要是能夠?qū)崿F(xiàn)電流的雙向?qū)ê碗妷旱碾p向阻斷，顯著提升電力電子系統(tǒng)的效率與集成度。

傳統(tǒng)的MOSFET等開關(guān)器件，一般只能允許電流單向?qū)?，比如硅基MOSFET要實(shí)現(xiàn)反向的電流，需要外接反并聯(lián)二極管，或是采用背靠背串聯(lián)的MOSFET組成雙向開關(guān)。

但既然現(xiàn)有的方案可以通過外接反并聯(lián)二極管和反向串聯(lián)MOSFET組成雙向開關(guān)，為什么還需要單片的雙向功率開關(guān)？

在目前電力應(yīng)用中，包括充電樁、光伏逆變器、電機(jī)驅(qū)動、數(shù)據(jù)中心供電等，廣泛用到雙向開關(guān)。比如在常見的Vienna拓?fù)湔髌骱虳MC變換器中，都需要大量雙向開關(guān)。現(xiàn)有的功率開關(guān)，多數(shù)需要外接其他的分立器件，才能實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)。

而外接分立器件，將大大增加總的導(dǎo)通電阻，為了規(guī)避整體導(dǎo)通電阻的增加，又需要并聯(lián)一組反向串聯(lián)結(jié)構(gòu)。所以，成本和電路結(jié)構(gòu)來看，采用傳統(tǒng)功率器件實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)，將導(dǎo)致芯片使用量和使用面積都大大增加。

那么GaN器件是怎么實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)的？基于GaN HEMT，通過加入一個(gè)獨(dú)立的柵極，兩個(gè)柵極共享漏極區(qū)域，可用于阻斷任一電壓極性。

以英飛凌的單片BDS 為例，英飛凌基于CoolGaN的BDS HEMT通過集成兩個(gè)隔離柵極的單片結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙向性，允許通過獨(dú)立控制每個(gè)柵極的開/關(guān)狀態(tài)來在兩個(gè)方向傳導(dǎo)電流。同時(shí)兩個(gè)柵極共享一個(gè)漂移區(qū)，這意味著能夠有效在兩個(gè)方向上截止電壓，無需考慮電流的方向。

納微半導(dǎo)體表示，在其推出的雙向GaNFast功率芯片上通過合并漏極結(jié)構(gòu)、雙柵極控制及集成專利的有源基板鉗位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)的突破。一顆高速高效的雙向GaNFast?氮化鎵功率芯片可替代最多4個(gè)傳統(tǒng)開關(guān)器件，顯著提升系統(tǒng)性能，同時(shí)減少元件數(shù)量、PCB面積和系統(tǒng)成本。

英飛凌在去年7月推出了CoolGaN BDS，提供40 V、650 V和850 V電壓雙向開關(guān)，適用于移動設(shè)備USB端口、電池管理系統(tǒng)、逆變器和整流器等。其中650 V和850 V高壓產(chǎn)品采用真正的常閉單片雙向開關(guān)，具有四種工作模式。通過使用一個(gè)BDS代替四個(gè)傳統(tǒng)晶體管，可提高效率、密度和可靠性，使應(yīng)用能夠從中受益并大幅節(jié)約成本。在替代單相H4 PFC、HERIC逆變器，和三相維也納整流器中的背對背開關(guān)時(shí)，該系列器件能夠優(yōu)化性能，而且還可用于交流/直流或直流/交流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的單級交流電源轉(zhuǎn)換等。

40 V的產(chǎn)品是一款基于英飛凌肖特基柵極氮化鎵自主技術(shù)的常閉單片雙向開關(guān)。它能阻斷兩個(gè)方向的電壓，并且通過單柵極共源極的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，以取代電池供電消費(fèi)產(chǎn)品中用作斷開開關(guān)的背對背 MOSFET。相比背對背硅FET，使用40 V GaN BDS的優(yōu)點(diǎn)包括節(jié)省50% - 75%的PCB面積、降低50%以上的功率損耗，以及減少成本。

納微半導(dǎo)體今年3月推出了全球首款量產(chǎn)級650V雙向GaNFast氮化鎵功率芯片及高速隔離型柵極驅(qū)動器。納微表示，雙向GaNFast氮化鎵技術(shù)將傳統(tǒng)高壓功率變換器的兩級拓?fù)湔蠟閱渭壐哳l高效架構(gòu)，徹底消除電容與輸入電感，成為電動汽車OBC等場景的終極解決方案。一家領(lǐng)先的電動汽車及光伏微逆制造商已開始采用單級BDS變換器以提升其系統(tǒng)效率、縮小尺寸并降低成本。搭載GaNFast的單級變換器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)10%的降本、20%的節(jié)能以及50%的體積縮減。

首批650V雙向GaNFast氮化鎵功率芯片包括料號為NV6427（典型導(dǎo)通電阻為100 mΩ）和NV6428（典型導(dǎo)通電阻為50 mΩ）的兩款產(chǎn)品，采用頂部散熱的TOLT-16L（晶體管外形引腳頂部冷卻）封裝。未來該產(chǎn)品系列將擴(kuò)增更低導(dǎo)通電阻的型號。

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