單片雙向開(kāi)關(guān)(BDS)被業(yè)界視為電力電子性能實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展的關(guān)鍵推動(dòng)者?；跈M向氮化鎵(GaN)高電子遷移率晶體管(HEMT)的技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可有效應(yīng)用于BDS器件開(kāi)發(fā)。本文將概述BDS的應(yīng)用場(chǎng)景，并重點(diǎn)介紹即將實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的新一代GaN BDS器件系列。

雙向開(kāi)關(guān)應(yīng)用解析

傳統(tǒng)MOSFET或IGBT開(kāi)關(guān)通常僅具備正向?qū)ㄅc反向阻斷功能。雖然通過(guò)MOSFET體二極管或IGBT反并聯(lián)二極管可實(shí)現(xiàn)第三象限導(dǎo)通，但這種反向傳導(dǎo)缺乏柵極控制能力。要實(shí)現(xiàn)可控雙向?qū)ǎǔＰ枰獙蓚€(gè)傳統(tǒng)器件背對(duì)背(B2B)連接。

這種配置會(huì)使導(dǎo)通電阻(RDSON)翻倍，因此必須并聯(lián)多個(gè)器件才能達(dá)到單向開(kāi)關(guān)的阻抗水平。而單片集成式四象限操作器件能通過(guò)單一器件替代四個(gè)有源開(kāi)關(guān)，顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜度與體積。采用GaN材料的BDS器件憑借更低損耗和更快開(kāi)關(guān)速度，在特定應(yīng)用中較傳統(tǒng)硅基器件更具優(yōu)勢(shì)。

以下是BDS發(fā)揮關(guān)鍵作用的典型應(yīng)用場(chǎng)景：

交流開(kāi)關(guān)：雙向AC-AC功率傳輸在太陽(yáng)能微逆變器中極具吸引力。傳統(tǒng)方案需建立直流母線電壓再進(jìn)行AC轉(zhuǎn)換，不僅需要大容量DC-link電容，兩級(jí)轉(zhuǎn)換也導(dǎo)致效率損失。采用AC開(kāi)關(guān)可實(shí)現(xiàn)單級(jí)隔離功率轉(zhuǎn)換，車載充電器(OBC)同樣受益。矩陣變換器概念提出45年來(lái)，通過(guò)9個(gè)BDS器件連接三相端口即可實(shí)現(xiàn)電壓、頻率和功率因數(shù)調(diào)節(jié)。相比傳統(tǒng)變頻驅(qū)動(dòng)器(VFD)的AC-DC-AC兩級(jí)轉(zhuǎn)換方案，BDS方案能消除諧波干擾、實(shí)現(xiàn)能量回饋，同時(shí)省去笨重的DC-link電容。鑒于VFD消耗工業(yè)用電60%以上，BDS技術(shù)在提升功率密度、可靠性和效率方面的優(yōu)勢(shì)將產(chǎn)生重大影響，甚至可實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器一體化集成。

AC-DC變換器中B2B開(kāi)關(guān)的替代：以維也納整流器為例，其B2B開(kāi)關(guān)將直流中點(diǎn)回饋至交流側(cè)，用于輸入電感電流補(bǔ)償和諧波抑制。采用GaN BDS單片替代多器件組合，既能減少元件數(shù)量，又可憑借快速開(kāi)關(guān)特性縮小無(wú)源元件體積。類似優(yōu)勢(shì)也體現(xiàn)在T型變換器和HERIC逆變器中，這些三電平拓?fù)渲械腂DS器件僅需承受一半直流母線電壓。

電流源逆變器(CSI)：CSI為感應(yīng)電機(jī)提供定子電流，正弦波電流可顯著提升電機(jī)可靠性。CSI的大電感具備天然過(guò)載保護(hù)能力，但需要雙向電壓阻斷開(kāi)關(guān)。雖然CSI存在控制復(fù)雜等挑戰(zhàn)，但在大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)飛機(jī)和高壓直流輸電領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯。GaN BDS已成功應(yīng)用于CSI設(shè)計(jì)，在滿足雙向阻斷需求的同時(shí)，單向電流傳導(dǎo)特性可簡(jiǎn)化柵極控制。

交流固態(tài)斷路器(SCCB)與電池隔離：AC SCCB要求器件具備雙向?qū)?、?qiáng)過(guò)壓耐受、低導(dǎo)通電阻、快速響應(yīng)(μs級(jí)故障清除)等特性。GaN BDS替代機(jī)械斷路器或MOSFET/IGBT反串聯(lián)組合，可減少芯片數(shù)量并提升效率。其無(wú)顯著Spirito效應(yīng)的特點(diǎn)，也避免了硅基器件安全工作區(qū)(SOA)受限的問(wèn)題。手機(jī)/筆記本充電電路的電池隔離開(kāi)關(guān)采用源極合并單柵極架構(gòu)，導(dǎo)通電阻可低于10mΩ。

高壓GaN BDS技術(shù)突破

英飛凌2025寬禁帶開(kāi)發(fā)者論壇披露了CoolGaN? HV BDS技術(shù)細(xì)節(jié)?；跂艠O注入晶體管(GIT)技術(shù)的650V/850V器件采用中央漏極合并設(shè)計(jì)，連接雙柵極-源極架構(gòu)。針對(duì)靜態(tài)電池隔離應(yīng)用的中壓BDS(40-120V)則采用肖特基柵HEMT技術(shù)，呈現(xiàn)雙漏極單柵極架構(gòu)。

圖1展示了HV BDS的四種工作模式：雙柵極開(kāi)啟時(shí)實(shí)現(xiàn)雙向?qū)?單柵極工作時(shí)呈現(xiàn)二極管特性，截止柵極在源漏電壓超過(guò)有效閾值(Vth-Vgs)時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通(GIT器件<2V);雙柵極關(guān)閉時(shí)則實(shí)現(xiàn)超額定電壓阻斷。

關(guān)鍵技術(shù)突破在于襯底電位動(dòng)態(tài)控制——通過(guò)智能GaN技術(shù)將襯底實(shí)時(shí)連接至最低電位源極，既避免非對(duì)稱導(dǎo)通，又防止背偏壓導(dǎo)致的RDSON升高。圖2顯示，在100kHz開(kāi)關(guān)頻率下，相比RDSON相同的Si/SiC MOSFET B2B方案，GaN BDS能顯著降低損耗。共享漏極設(shè)計(jì)提升比導(dǎo)通電阻特性，減小芯片面積并降低動(dòng)態(tài)損耗。該器件還具備自限流短路保護(hù)能力，可通過(guò)10-100μs重復(fù)測(cè)試，性能遠(yuǎn)超單向GaN HEMT。

650V HV BDS將于2025Q2量產(chǎn)，提供25mΩ/110mΩ規(guī)格的TOLT和DSO TSC封裝。未來(lái)路線圖包含850V器件。針對(duì)CSI應(yīng)用的創(chuàng)新混合BDS方案，通過(guò)常開(kāi)型(d-mode)與增強(qiáng)型HEMT組合，利用柵源級(jí)聯(lián)肖特基二極管控制關(guān)斷，簡(jiǎn)化柵極驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

浮思特科技深耕功率器件領(lǐng)域，為客戶提供IGBT、IPM模塊等功率器件以及單片機(jī)(MCU)、觸摸芯片，是一家擁有核心技術(shù)的電子元器件供應(yīng)商和解決方案商。