革新電力電子：氮化鎵雙向開關

傳統方法的局限性

多年來，工程師們一直致力于解決單向開關的基本限制。當需要雙向電壓阻斷時，設計人員必須使用多個分立元件實現背靠背配置，導致系統復雜性增加、尺寸增大和成本上升。這些配置還會引入額外的寄生元件，從而影響開關性能和效率。此外，傳統的三端 UDS 設備無法獨立控制雙向電流流，限制了它們在高級電源轉換拓撲中的應用。

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隨著行業向更高功率密度、更高效率和更低系統成本發展，這些挑戰變得越來越重要。傳統的使用背靠背分立開關的方法，在維也納整流器、T 型轉換器和 HERIC 配置等應用中，導致設計不理想，無法滿足不斷變化的市場需求。這迫切需要創新的解決方案，以克服這些基本限制，并在廣泛的運行條件下提供更好的性能。

引入 CoolGaN 雙向開關（BDS）系列

為了應對這些挑戰，英飛凌開創了一項突破性解決方案：CoolGaN 雙向開關（BDS）650 V G5。這個創新器件系列代表了功率開關技術的范式轉變，為下一代功率轉換系統提供了前所未有的控制和靈活性。與需要多個分立組件以背靠背配置的常規方法不同，它提供了一種單片解決方案，能夠在兩個方向上主動阻斷電壓和電流。

英飛凌的 CoolGaN 雙向開關產品系列適用于廣泛的電壓要求。650 V 產品系列采用 TOLT 和 DSO 封裝，而 850 V 選項即將推出，公司還提供從 40 V 開始的較低電壓選項。這些低電壓 GaN 開關用于消費電子產品，作為電池斷開開關。

CoolGaN BDS 650 V G5 采用了一種革命性的共漏設計，具有雙柵極結構，利用了英飛凌成熟的柵極注入晶體管（GIT）技術。這種獨特的架構使得同一漂移區可以雙向阻斷電壓，與傳統的背靠背排列相比，顯著減小了芯片尺寸。緊湊的集成設計不僅節省空間，還減少了寄生元件，實現了更快的開關速度和更高的效率。

技術創新：四象限操作

真正使高壓 CoolGaN BDS 系列與眾不同的是其前所未有的四象限控制能力。與傳統的三端單向開關不同，BDS 具有四個主動端和一個額外的襯底端。這種配置實現了四種不同的工作模式：兩種傳統的開/關模式和兩種二極管模式，為設計人員提供了前所未有的控制靈活性。

在雙向關斷模式（開關模式關斷）下，當兩個柵極施加零或負電壓時，器件在兩個方向上均阻斷電壓，有效起到開路作用。相反，在雙向導通模式（開關模式導通）下，當兩個柵極被激活時，電流可以在兩個方向上自由流動，類似于標準 MOSFET 的導通狀態。僅這些模式就為傳統解決方案提供了顯著優勢，但真正的創新在于另外兩種額外的二極管模式。

二極管模式——反向阻斷（RB）和正向阻斷（FB）——允許 BDS 在某一方向上選擇性地阻斷電壓，同時在相反方向上允許電流流動。在二極管模式 RB 中，器件從下往上阻斷電壓，但允許電流從上往下流動。相反，在二極管模式 FB 中，它從上往下阻斷電壓，同時允許電流從下往上流動。

圖 1。 CoolGaN 雙向開關 650 V G5 的四種工作模式和十種可能的轉換，突出了其獨特能力和靈活性。 圖片由 Bodo’s Power Systems 提供 [PDF]

這些模式對于已知電壓阻斷方向的軟開關操作特別有價值，可確保輸出電容的安全放電和最佳性能。

工程卓越：集成襯底電壓控制

在設計 CoolGaN BDS 時，管理襯底電壓是一個重要的技術挑戰。在傳統的 UDS 設計中，襯底通常連接到源極以防止背柵效應，這會降低 2DEG（二維電子氣）的電荷濃度。然而，BDS 的常見漏極配置，具有兩個源極，使得這種方法不切實際。簡單地浮動襯底會導致無法控制的電勢和有害的背柵效應。

為克服這一挑戰，英飛凌開發了一種創新的單片集成襯底電壓控制電路。這種巧妙的解決方案動態地將襯底連接到電勢最低的源極，確保最佳性能，而無需外部支持電路。這種集成方法使 BDS 能夠在軟開關和硬開關模式下有效運行，適應各種應用需求，以實現最佳性能和效率。

性能特點：數據驅動卓越

CoolGaN BDS 在廣泛的運行條件下表現出色。評估其性能的關鍵參數之一是源到源導通電阻（Rss(on)），它直接影響導通損耗和整體效率。靜態 Rss(on) 在溫度從 25°C 變化到 150°C 時大約翻倍（圖 2），突出了系統設計中溫度考慮的重要性。值得注意的是，與一些在低溫下可能表現出負溫度系數的 SiC MOSFET 不同，CoolGaN BDS 即使在-40°C 時也保持正系數，確保其在整個溫度范圍內的可靠運行。

通過調整穩態柵極電流，可以將 Rss(on) 優化高達 3%，以犧牲更高的柵極電流損耗為代價來提升性能。此外，增加柵極電流可以使飽和電流提升 60%或更多，在系統設計中平衡效率和性能。

圖 2。 CoolGaN 雙向開關在整個工作溫度范圍內的歸一化 Rss(on) 值。 圖片由 Bodo’s Power Systems 提供[PDF]

動態 Rss(on) 提供了 CoolGaN BDS 在連續開關過程中的性能真實測量，受阻斷電壓、開關頻率和溫度的影響。在一個升壓轉換器設置中，使用了一個改進的自補償雙二極管降 On 狀態電壓測量電路 (OVMC)，其中 BDS 作為低邊開關，高邊 SiC 肖特基二極管在連續導通模式 (CCM) 下工作。

在 50 kHz 和 100 kHz 硬開關下，動態 Rss(on) 接近其靜態值，僅增加了 5-7%。更高頻率由于測量周期更短而增加了動態 Rss(on)。溫度也影響了動態 Rss(on)，但 CoolGaN BDS 在典型條件下表現出穩定的性能，確保了在終端應用中的可預測行為。這種穩定性突出了該器件的堅固設計，使其適合高頻和熱要求苛刻的環境。

圖 3。 不同開關頻率下隨殼體溫度變化的歸一化動態 Rss(on)。圖片由 Bodo’s Power Systems 提供 [PDF]

軟開關性能更為出色，如圖 4 所示。在 110 V，500 kHz 時，動態 Rss(on) 比靜態值高約 5%，而在 400 V 時，它上升了大約 16.5%。這種隨交流電網電壓的變化表明，將交流電壓作為整個周期內的平均值來使用，是一種實用的系統設計優化方法。此外，即使開關頻率從 100 kHz 增加到 300 kHz，歸一化動態 Rss(on) 僅略微上升到 1.06，即僅增加了 6%（見圖 5），這突出了軟開關在減少頻率對性能影響方面的優勢。 

圖 4。 在 500 kHz 下不同阻斷電壓的歸一化動態 Rss(on) 隨案例溫度變化的情況 。圖片由 Bodo’s Power Systems 提供[PDF]

圖 5 顯示了 CoolGaN 雙向開關在 400V 電壓和軟開關模式下，隨外殼溫度變化的歸一化動態 Rss(on)。在 100kHz 時，動態 Rss(on)與靜態值接近，約為 1，并隨頻率略微上升，在 300kHz 時僅達到 1.06。這種微小的增加突出了軟開關在最小化頻率影響和提升效率方面的優勢。

圖 5。 在 400 V 輸入和不同殼體溫度下，不同開關頻率的歸一化動態 Rss(on) 。圖片由 Bodo’s Power Systems 提供 [PDF]

開關損耗：精密測量

精確確定開關損耗對于評估 CoolGaN BDS 等寬禁帶器件的效率至關重要。目前，尚無已知方法能夠準確分離 BDS 的導通損耗和關斷損耗。雖然軟開關損耗非常低，但由于襯底電壓控制電路和 Coss 滯后損耗的貢獻，導通損耗并非為零。因此，所有開關損耗均以微焦耳每周期的形式表示，涵蓋了導通損耗和關斷損耗。

對于硬開關測量（圖 6），采用了一個在連續導通模式（CCM）下工作的升壓設置，從校準的熱損耗中扣除了導通損耗。在 500 kHz 的測試中，損耗與關斷電流和輸入電壓成正比。 

圖 6。 CoolGaN? BDS 650 V G5 (IGLT65R055B2) 在 500 kHz 下，兩種不同輸入電壓的每個周期硬開關損耗。 圖片由 Bodo’s Power Systems 提供 [PDF]

軟開關評估（圖 7）采用三角電流模式下的半橋配置，跨越三個電壓等級（110 V、240 V 和 400 V），與硬開關相比，顯著降低了損耗。這種全面的每周期數據使設計人員能夠準確預測熱需求，并在實際應用中優化效率，盡管無法隔離單個開關事件。

圖 7。 CoolGaN BDS 650 V G5 (IGLT65R055B2) 在 500 kHz 下，三個不同輸入電壓的每周期軟開關損耗。 圖片由 Bodo’s Power Systems 提供 [PDF]

設計考量：雙向開關（BDS）與背靠背（B2B）比較

在評估 CoolGaN BDS 時，必須將其與傳統背對背（B2B）配置進行比較，而不是與單個 UDS 進行比較。

與 Si 和 SiC B2B 配置相比，CoolGaN BDS 表現出更優越的品質因數（FoM），其 Rss(on) × QG 低 85% 以上。這導致每個周期的能量損耗顯著降低，使其非常適合高頻應用。

圖 8。 不同技術下 BDS 和 B2B 配置的 FOM 比較 。圖片由 Bodo’s Power Systems 提供[PDF]

驅動和電源

CoolGaN BDS 是一種共漏器件，具有兩個相對于其自身的源控制的柵極，每個柵極都有自己的 kelvinsource 端子用于柵極驅動的返回路徑。這種 BDS 使用 GIT 技術，該技術需要每個柵極的 RC 接口來控制導通和穩態柵極電流。

RC 接口的一個主要優勢是能夠在關斷時生成自然的負門極電壓，這是所有離散 GaN 開關的推薦做法。對于 BDS，每個門極都需要自己的隔離門極驅動器以及隔離的輔助電源。雖然輔助電源的總數取決于具體的電路拓撲，但某些節點可以共享一個公共電源。

柵極驅動

Infineon 提供一系列 EiceDRIVER 柵極驅動 IC，具有多種隔離級別、電壓等級、保護功能和封裝。這些 IC 以單通道配置提供，如表 1 所示。

表 1。 EiceDRIVER 柵極驅動器 IC

這些驅動 IC 與 CoolGaN BDS 結合，可實現在高性能應用中達到高效率、高可靠性和高功率密度。

隔離輔助電源

為 CoolGaN BDS 創建隔離輔助電源可以通過多種方法實現，每種方法都有其自身的權衡。采用小型隔離 DC-DC 模塊的直截了當的方法是一種成本較高的選擇。一種更具成本效益的替代方案是在 PCB 上直接設計隔離輔助電源，使用脈沖變壓器。

雖然這可能需要更多的 PCB 空間，但這種脈沖變壓器方法降低了隔離輔助電源的成本，同時提供了高度靈活性和定制能力。通過利用 1EDN7512G 驅動 IC 和脈沖變壓器，設計人員可以創建一個緊湊高效的隔離輔助電源，以滿足其應用的特定需求。

轉變應用：實際效益

CoolGaN BDS 正準備徹底改變各種應用，提供比傳統解決方案顯著的優點。最直接的好處之一是能夠替換現有設計中的背靠背分立開關。在維也納整流器、T 型轉換器和 HERIC 配置等應用中，BDS 提供了更集成、高效和經濟的解決方案。

甚至可能更令人興奮的是，在太陽能微型逆變器和其他單級隔離拓撲中實現單級 DC/AC 轉換的潛力。通過允許單級器件進行雙向電壓阻斷，BDS 簡化了電路設計，減少了元件數量，并提高了效率。這導致了更緊湊、經濟高效的解決方案，能夠更快地推向市場，在當今快節奏的行業中提供了競爭優勢。

單級隔離式交流電源轉換應用展示了幾個關鍵優勢：通過減少轉換級數提高效率，使用高頻變壓器減小尺寸和降低成本。此外，它還展示了增強的靈活性，支持電壓縮放、頻率轉換和自然雙向功率流。雖然必須解決開關損耗、EMI、控制復雜性和元件應力等挑戰，但 CoolGaN BDS 為克服這些障礙和開發下一代電源轉換系統奠定了基礎。

結論：推動電力電子的邊界

CoolGaN BDS 650 V G5 代表了功率開關技術的重大飛躍，解決了長期存在的挑戰，并為功率轉換系統設計開辟了新的可能性。通過將雙向阻斷和導通能力集成到一個單片器件中，它減少了元件數量，簡化了設計，并在各種應用中提高了性能。

創新的四模式操作，結合集成的襯底電壓控制電路，為下一代電力系統提供了前所未有的靈活性和控制能力。卓越的性能特性通過先進測量技術精心量化，使設計人員能夠準確預測和優化實際應用中的系統行為。

隨著電力電子行業不斷追求更高的效率、更大的功率密度和更低的成本，CoolGaN BDS 證明了英飛凌對創新和工程卓越的承諾。通過挑戰傳統方法并開發突破性解決方案，英飛凌不僅正在應對當今的設計挑戰，而且也為未來的電源轉換系統奠定了基礎。

對于希望保持電力電子技術前沿的設計工程師來說，CoolGaN BDS 提供了一個結合技術創新和實際效益的引人入勝的解決方案。無論您是在設計太陽能逆變器、電源、電機驅動器或其他電源轉換系統，這項革命性技術都為您提供了創建更高效、緊湊和具有成本效益的產品所需的工具，以滿足當今市場的需求，并為明天的挑戰做好準備。