革新電力電子：氮化鎵雙向開(kāi)關(guān)

傳統方法的局限性

多年來(lái)，工程師們一直致力于解決單向開(kāi)關(guān)的基本限制。當需要雙向電壓阻斷時(shí)，設計人員必須使用多個(gè)分立元件實(shí)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(huì )引入額外的寄生元件，從而影響開(kāi)關(guān)性能和效率。此外，傳統的三端 UDS 設備無(wú)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(zhù)行業(yè)向更高功率密度、更高效率和更低系統成本發(fā)展，這些挑戰變得越來(lái)越重要。傳統的使用背靠背分立開(kāi)關(guān)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(wú)法滿(mǎn)足不斷變化的市場(chǎng)需求。這迫切需要創(chuàng )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(kāi)關(guān)（BDS）系列

為了應對這些挑戰，英飛凌開(kāi)創(chuàng )了一項突破性解決方案：CoolGaN 雙向開(kāi)關(guān)（BDS）650 V G5。這個(gè)創(chuàng )新器件系列代表了功率開(kāi)關(guān)技術(shù)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(gè)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(gè)方向上主動(dòng)阻斷電壓和電流。

英飛凌的 CoolGaN 雙向開(kāi)關(guān)產(chǎn)品系列適用于廣泛的電壓要求。650 V 產(chǎn)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(kāi)始的較低電壓選項。這些低電壓 GaN 開(kāi)關(guān)用于消費電子產(chǎn)品，作為電池斷開(kāi)開(kāi)關(guān)。

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(shù)。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(zhù)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(shí)現了更快的開(kāi)關(guān)速度和更高的效率。

技術(shù)創(chuàng )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(kāi)關(guān)不同，BDS 具有四個(gè)主動(dòng)端和一個(gè)額外的襯底端。這種配置實(shí)現了四種不同的工作模式：兩種傳統的開(kāi)/關(guān)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(guān)斷模式（開(kāi)關(guān)模式關(guān)斷）下，當兩個(gè)柵極施加零或負電壓時(shí)，器件在兩個(gè)方向上均阻斷電壓，有效起到開(kāi)路作用。相反，在雙向導通模式（開(kāi)關(guān)模式導通）下，當兩個(gè)柵極被激活時(shí)，電流可以在兩個(gè)方向上自由流動(dòng)，類(lèi)似于標準 MOSFET 的導通狀態(tài)。僅這些模式就為傳統解決方案提供了顯著(zhù)優(yōu)勢，但真正的創(chuàng )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(shí)在相反方向上允許電流流動(dòng)。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(dòng)。相反，在二極管模式 FB 中，它從上往下阻斷電壓，同時(shí)允許電流從下往上流動(dòng)。

圖 1。 CoolGaN 雙向開(kāi)關(guān) 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(kāi)關(guān)操作特別有價(jià)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(shí)，管理襯底電壓是一個(gè)重要的技術(shù)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(huì )降低 2DEG（二維電子氣）的電荷濃度。然而，BDS 的常見(jiàn)漏極配置，具有兩個(gè)源極，使得這種方法不切實(shí)際。簡(jiǎn)單地浮動(dòng)襯底會(huì )導致無(wú)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(kāi)發(fā)了一種創(chuàng )新的單片集成襯底電壓控制電路。這種巧妙的解決方案動(dòng)態(tài)地將襯底連接到電勢最低的源極，確保最佳性能，而無(wú)需外部支持電路。這種集成方法使 BDS 能夠在軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)模式下有效運行，適應各種應用需求，以實(shí)現最佳性能和效率。

性能特點(diǎn)：數據驅動(dòng)卓越

CoolGaN BDS 在廣泛的運行條件下表現出色。評估其性能的關(guān)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(tài) Rss(on) 在溫度從 25°C 變化到 150°C 時(shí)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(shí)也保持正系數，確保其在整個(gè)溫度范圍內的可靠運行。

通過(guò)調整穩態(tài)柵極電流，可以將 Rss(on) 優(yōu)化高達 3%，以犧牲更高的柵極電流損耗為代價(jià)來(lái)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(kāi)關(guān)在整個(gè)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(dòng)態(tài) Rss(on) 提供了 CoolGaN BDS 在連續開(kāi)關(guān)過(guò)程中的性能真實(shí)測量，受阻斷電壓、開(kāi)關(guān)頻率和溫度的影響。在一個(gè)升壓轉換器設置中，使用了一個(gè)改進(jìn)的自補償雙二極管降 On 狀態(tài)電壓測量電路 (OVMC)，其中 BDS 作為低邊開(kāi)關(guān)，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(kāi)關(guān)下，動(dòng)態(tài) Rss(on) 接近其靜態(tài)值，僅增加了 5-7%。更高頻率由于測量周期更短而增加了動(dòng)態(tài) Rss(on)。溫度也影響了動(dòng)態(tài) 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(huán)境。

圖 3。 不同開(kāi)關(guān)頻率下隨殼體溫度變化的歸一化動(dòng)態(tài) Rss(on)。圖片由 Bodo’s Power Systems 提供 [PDF]

軟開(kāi)關(guān)性能更為出色，如圖 4 所示。在 110 V，500 kHz 時(shí)，動(dòng)態(tài) Rss(on) 比靜態(tài)值高約 5%，而在 400 V 時(shí)，它上升了大約 16.5%。這種隨交流電網(wǎng)電壓的變化表明，將交流電壓作為整個(gè)周期內的平均值來(lái)使用，是一種實(shí)用的系統設計優(yōu)化方法。此外，即使開(kāi)關(guān)頻率從 100 kHz 增加到 300 kHz，歸一化動(dòng)態(tài) Rss(on) 僅略微上升到 1.06，即僅增加了 6%（見(jiàn)圖 5），這突出了軟開(kāi)關(guān)在減少頻率對性能影響方面的優(yōu)勢。 

圖 4。 在 500 kHz 下不同阻斷電壓的歸一化動(dòng)態(tài) 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(kāi)關(guān)在 400V 電壓和軟開(kāi)關(guān)模式下，隨外殼溫度變化的歸一化動(dòng)態(tài) Rss(on)。在 100kHz 時(shí)，動(dòng)態(tài) Rss(on)與靜態(tài)值接近，約為 1，并隨頻率略微上升，在 300kHz 時(shí)僅達到 1.06。這種微小的增加突出了軟開(kāi)關(guān)在最小化頻率影響和提升效率方面的優(yōu)勢。

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

開(kāi)關(guān)損耗：精密測量

精確確定開(kāi)關(guān)損耗對于評估 CoolGaN BDS 等寬禁帶器件的效率至關(guān)重要。目前，尚無(wú)已知方法能夠準確分離 BDS 的導通損耗和關(guān)斷損耗。雖然軟開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)損耗均以微焦耳每周期的形式表示，涵蓋了導通損耗和關(guān)斷損耗。

對于硬開(kāi)關(guān)測量（圖 6），采用了一個(gè)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(guān)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(gè)周期硬開(kāi)關(guān)損耗。 圖片由 Bodo’s Power Systems 提供 [PDF]

軟開(kāi)關(guān)評估（圖 7）采用三角電流模式下的半橋配置，跨越三個(gè)電壓等級（110 V、240 V 和 400 V），與硬開(kāi)關(guān)相比，顯著(zhù)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(shí)際應用中優(yōu)化效率，盡管無(wú)法隔離單個(gè)開(kāi)關(guān)事件。

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

設計考量：雙向開(kāi)關(guān)（BDS）與背靠背（B2B）比較

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

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

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

驅動(dòng)和電源

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

RC 接口的一個(gè)主要優(yōu)勢是能夠在關(guān)斷時(shí)生成自然的負門(mén)極電壓，這是所有離散 GaN 開(kāi)關(guān)的推薦做法。對于 BDS，每個(gè)門(mén)極都需要自己的隔離門(mén)極驅動(dòng)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(diǎn)可以共享一個(gè)公共電源。

柵極驅動(dòng)

Infineon 提供一系列 EiceDRIVER 柵極驅動(dòng) 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(dòng)器 IC

這些驅動(dòng) IC 與 CoolGaN BDS 結合，可實(shí)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(chuàng )建隔離輔助電源可以通過(guò)多種方法實(shí)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(shí)提供了高度靈活性和定制能力。通過(guò)利用 1EDN7512G 驅動(dòng) IC 和脈沖變壓器，設計人員可以創(chuàng )建一個(gè)緊湊高效的隔離輔助電源，以滿(mǎn)足其應用的特定需求。

轉變應用：實(shí)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(zhù)的優(yōu)點(diǎn)。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(kāi)關(guān)。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(jīng)濟的解決方案。

甚至可能更令人興奮的是，在太陽(yáng)能微型逆變器和其他單級隔離拓撲中實(shí)現單級 DC/AC 轉換的潛力。通過(guò)允許單級器件進(jìn)行雙向電壓阻斷，BDS 簡(jiǎn)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(jīng)濟高效的解決方案，能夠更快地推向市場(chǎng)，在當今快節奏的行業(yè)中提供了競爭優(yōu)勢。

單級隔離式交流電源轉換應用展示了幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢：通過(guò)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(kāi)關(guān)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(kāi)發(fā)下一代電源轉換系統奠定了基礎。

結論：推動(dòng)電力電子的邊界

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

創(chuàng )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(guò)先進(jìn)測量技術(shù)精心量化，使設計人員能夠準確預測和優(yōu)化實(shí)際應用中的系統行為。

隨著(zhù)電力電子行業(yè)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(chuàng )新和工程卓越的承諾。通過(guò)挑戰傳統方法并開(kāi)發(fā)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(lái)的電源轉換系統奠定了基礎。

對于希望保持電力電子技術(shù)前沿的設計工程師來(lái)說(shuō)，CoolGaN BDS 提供了一個(gè)結合技術(shù)創(chuàng )新和實(shí)際效益的引人入勝的解決方案。無(wú)論您是在設計太陽(yáng)能逆變器、電源、電機驅動(dòng)器或其他電源轉換系統，這項革命性技術(shù)都為您提供了創(chuàng )建更高效、緊湊和具有成本效益的產(chǎn)品所需的工具，以滿(mǎn)足當今市場(chǎng)的需求，并為明天的挑戰做好準備。