革新电力电子：氮化镓双向开关
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传统方法的局限性
多年来，工程师们一直致力于解决单向开关的基本限制。当需要双向电压阻断时，设计人员必须使用多个分立元件实现背靠背配置，导致系统复杂性增加、尺寸增大和成本上升。这些配置还会引入额外的寄生元件，从而影响开关性能和效率。此外，传统的三端 UDS 设备无法独立控制双向电流流，限制了它们在高级电源转换拓扑中的应用。
本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/202505/470448.htm
图片由 Adobe Stock 提供
随着行业向更高功率密度、更高效率和更低系统成本发展，这些挑战变得越来越重要。传统的使用背靠背分立开关的方法，在维也纳整流器、T 型转换器和 HERIC 配置等应用中，导致设计不理想，无法满足不断变化的市场需求。这迫切需要创新的解决方案，以克服这些基本限制，并在广泛的运行条件下提供更好的性能。
引入 CoolGaN 双向开关（BDS）系列
为了应对这些挑战，英飞凌开创了一项突破性解决方案：CoolGaN 双向开关（BDS）650 V G5。这个创新器件系列代表了功率开关技术的范式转变，为下一代功率转换系统提供了前所未有的控制和灵活性。与需要多个分立组件以背靠背配置的常规方法不同，它提供了一种单片解决方案，能够在两个方向上主动阻断电压和电流。
英飞凌的 CoolGaN 双向开关产品系列适用于广泛的电压要求。650 V 产品系列采用 TOLT 和 DSO 封装，而 850 V 选项即将推出，公司还提供从 40 V 开始的较低电压选项。这些低电压 GaN 开关用于消费电子产品，作为电池断开开关。
CoolGaN BDS 650 V G5 采用了一种革命性的共漏设计，具有双栅极结构，利用了英飞凌成熟的栅极注入晶体管（GIT）技术。这种独特的架构使得同一漂移区可以双向阻断电压，与传统的背靠背排列相比，显著减小了芯片尺寸。紧凑的集成设计不仅节省空间，还减少了寄生元件，实现了更快的开关速度和更高的效率。
技术创新：四象限操作
真正使高压 CoolGaN BDS 系列与众不同的是其前所未有的四象限控制能力。与传统的三端单向开关不同，BDS 具有四个主动端和一个额外的衬底端。这种配置实现了四种不同的工作模式：两种传统的开/关模式和两种二极管模式，为设计人员提供了前所未有的控制灵活性。
在双向关断模式（开关模式关断）下，当两个栅极施加零或负电压时，器件在两个方向上均阻断电压，有效起到开路作用。相反，在双向导通模式（开关模式导通）下，当两个栅极被激活时，电流可以在两个方向上自由流动，类似于标准 MOSFET 的导通状态。仅这些模式就为传统解决方案提供了显著优势，但真正的创新在于另外两种额外的二极管模式。
二极管模式——反向阻断（RB）和正向阻断（FB）——允许 BDS 在某一方向上选择性地阻断电压，同时在相反方向上允许电流流动。在二极管模式 RB 中，器件从下往上阻断电压，但允许电流从上往下流动。相反，在二极管模式 FB 中，它从上往下阻断电压，同时允许电流从下往上流动。
图 1。 CoolGaN 双向开关 650 V G5 的四种工作模式和十种可能的转换，突出了其独特能力和灵活性。 图片由 Bodo’s Power Systems 提供 [PDF]
这些模式对于已知电压阻断方向的软开关操作特别有价值，可确保输出电容的安全放电和最佳性能。
工程卓越：集成衬底电压控制
在设计 CoolGaN BDS 时，管理衬底电压是一个重要的技术挑战。在传统的 UDS 设计中，衬底通常连接到源极以防止背栅效应，这会降低 2DEG（二维电子气）的电荷浓度。然而，BDS 的常见漏极配置，具有两个源极，使得这种方法不切实际。简单地浮动衬底会导致无法控制的电势和有害的背栅效应。
为克服这一挑战，英飞凌开发了一种创新的单片集成衬底电压控制电路。这种巧妙的解决方案动态地将衬底连接到电势最低的源极，确保最佳性能，而无需外部支持电路。这种集成方法使 BDS 能够在软开关和硬开关模式下有效运行，适应各种应用需求，以实现最佳性能和效率。
性能特点：数据驱动卓越
CoolGaN BDS 在广泛的运行条件下表现出色。评估其性能的关键参数之一是源到源导通电阻（Rss(on)），它直接影响导通损耗和整体效率。静态 Rss(on) 在温度从 25°C 变化到 150°C 时大约翻倍（图 2），突出了系统设计中温度考虑的重要性。值得注意的是，与一些在低温下可能表现出负温度系数的 SiC MOSFET 不同，CoolGaN BDS 即使在-40°C 时也保持正系数，确保其在整个温度范围内的可靠运行。
通过调整稳态栅极电流，可以将 Rss(on) 优化高达 3%，以牺牲更高的栅极电流损耗为代价来提升性能。此外，增加栅极电流可以使饱和电流提升 60%或更多，在系统设计中平衡效率和性能。
图 2。 CoolGaN 双向开关在整个工作温度范围内的归一化 Rss(on) 值。 图片由 Bodo’s Power Systems 提供[PDF]
动态 Rss(on) 提供了 CoolGaN BDS 在连续开关过程中的性能真实测量，受阻断电压、开关频率和温度的影响。在一个升压转换器设置中，使用了一个改进的自补偿双二极管降 On 状态电压测量电路 (OVMC)，其中 BDS 作为低边开关，高边 SiC 肖特基二极管在连续导通模式 (CCM) 下工作。
在 50 kHz 和 100 kHz 硬开关下，动态 Rss(on) 接近其静态值，仅增加了 5-7%。更高频率由于测量周期更短而增加了动态 Rss(on)。温度也影响了动态 Rss(on)，但 CoolGaN BDS 在典型条件下表现出稳定的性能，确保了在终端应用中的可预测行为。这种稳定性突出了该器件的坚固设计，使其适合高频和热要求苛刻的环境。
图 3。 不同开关频率下随壳体温度变化的归一化动态 Rss(on)。图片由 Bodo’s Power Systems 提供 [PDF]
软开关性能更为出色，如图 4 所示。在 110 V，500 kHz 时，动态 Rss(on) 比静态值高约 5%，而在 400 V 时，它上升了大约 16.5%。这种随交流电网电压的变化表明，将交流电压作为整个周期内的平均值来使用，是一种实用的系统设计优化方法。此外，即使开关频率从 100 kHz 增加到 300 kHz，归一化动态 Rss(on) 仅略微上升到 1.06，即仅增加了 6%（见图 5），这突出了软开关在减少频率对性能影响方面的优势。
图 4。 在 500 kHz 下不同阻断电压的归一化动态 Rss(on) 随案例温度变化的情况 。图片由 Bodo’s Power Systems 提供[PDF]
图 5 显示了 CoolGaN 双向开关在 400V 电压和软开关模式下，随外壳温度变化的归一化动态 Rss(on)。在 100kHz 时，动态 Rss(on)与静态值接近，约为 1，并随频率略微上升，在 300kHz 时仅达到 1.06。这种微小的增加突出了软开关在最小化频率影响和提升效率方面的优势。
图 5。 在 400 V 输入和不同壳体温度下，不同开关频率的归一化动态 Rss(on) 。图片由 Bodo’s Power Systems 提供 [PDF]
开关损耗：精密测量
精确确定开关损耗对于评估 CoolGaN BDS 等宽禁带器件的效率至关重要。目前，尚无已知方法能够准确分离 BDS 的导通损耗和关断损耗。虽然软开关损耗非常低，但由于衬底电压控制电路和 Coss 滞后损耗的贡献，导通损耗并非为零。因此，所有开关损耗均以微焦耳每周期的形式表示，涵盖了导通损耗和关断损耗。
对于硬开关测量（图 6），采用了一个在连续导通模式（CCM）下工作的升压设置，从校准的热损耗中扣除了导通损耗。在 500 kHz 的测试中，损耗与关断电流和输入电压成正比。
图 6。 CoolGaN® BDS 650 V G5 (IGLT65R055B2) 在 500 kHz 下，两种不同输入电压的每个周期硬开关损耗。 图片由 Bodo’s Power Systems 提供 [PDF]
软开关评估（图 7）采用三角电流模式下的半桥配置，跨越三个电压等级（110 V、240 V 和 400 V），与硬开关相比，显著降低了损耗。这种全面的每周期数据使设计人员能够准确预测热需求，并在实际应用中优化效率，尽管无法隔离单个开关事件。
图 7。 CoolGaN BDS 650 V G5 (IGLT65R055B2) 在 500 kHz 下，三个不同输入电压的每周期软开关损耗。 图片由 Bodo’s Power Systems 提供 [PDF]
设计考量：双向开关（BDS）与背靠背（B2B）比较
在评估 CoolGaN BDS 时，必须将其与传统背对背（B2B）配置进行比较，而不是与单个 UDS 进行比较。
与 Si 和 SiC B2B 配置相比，CoolGaN BDS 表现出更优越的品质因数（FoM），其 Rss(on) × QG 低 85% 以上。这导致每个周期的能量损耗显著降低，使其非常适合高频应用。
图 8。 不同技术下 BDS 和 B2B 配置的 FOM 比较 。图片由 Bodo’s Power Systems 提供[PDF]
驱动和电源
CoolGaN BDS 是一种共漏器件，具有两个相对于其自身的源控制的栅极，每个栅极都有自己的 kelvinsource 端子用于栅极驱动的返回路径。这种 BDS 使用 GIT 技术，该技术需要每个栅极的 RC 接口来控制导通和稳态栅极电流。
RC 接口的一个主要优势是能够在关断时生成自然的负门极电压，这是所有离散 GaN 开关的推荐做法。对于 BDS，每个门极都需要自己的隔离门极驱动器以及隔离的辅助电源。虽然辅助电源的总数取决于具体的电路拓扑，但某些节点可以共享一个公共电源。
栅极驱动
Infineon 提供一系列 EiceDRIVER 栅极驱动 IC，具有多种隔离级别、电压等级、保护功能和封装。这些 IC 以单通道配置提供，如表 1 所示。
| 产品代码 | 隔离类型 | 配置 |
| 1EDB7275F | 基本 | 单通道 |
| 2EDB7259Y | 基本 | 双通道 |
| 2EDR7259X | 加强型 | 双通道 |
表 1。 EiceDRIVER 栅极驱动器 IC
这些驱动 IC 与 CoolGaN BDS 结合，可实现在高性能应用中达到高效率、高可靠性和高功率密度。
隔离辅助电源
为 CoolGaN BDS 创建隔离辅助电源可以通过多种方法实现，每种方法都有其自身的权衡。采用小型隔离 DC-DC 模块的直截了当的方法是一种成本较高的选择。一种更具成本效益的替代方案是在 PCB 上直接设计隔离辅助电源，使用脉冲变压器。
虽然这可能需要更多的 PCB 空间，但这种脉冲变压器方法降低了隔离辅助电源的成本，同时提供了高度灵活性和定制能力。通过利用 1EDN7512G 驱动 IC 和脉冲变压器，设计人员可以创建一个紧凑高效的隔离辅助电源，以满足其应用的特定需求。
转变应用：实际效益
CoolGaN BDS 正准备彻底改变各种应用，提供比传统解决方案显著的优点。最直接的好处之一是能够替换现有设计中的背靠背分立开关。在维也纳整流器、T 型转换器和 HERIC 配置等应用中，BDS 提供了更集成、高效和经济的解决方案。
甚至可能更令人兴奋的是，在太阳能微型逆变器和其他单级隔离拓扑中实现单级 DC/AC 转换的潜力。通过允许单级器件进行双向电压阻断，BDS 简化了电路设计，减少了元件数量，并提高了效率。这导致了更紧凑、经济高效的解决方案，能够更快地推向市场，在当今快节奏的行业中提供了竞争优势。
单级隔离式交流电源转换应用展示了几个关键优势：通过减少转换级数提高效率，使用高频变压器减小尺寸和降低成本。此外，它还展示了增强的灵活性，支持电压缩放、频率转换和自然双向功率流。虽然必须解决开关损耗、EMI、控制复杂性和元件应力等挑战，但 CoolGaN BDS 为克服这些障碍和开发下一代电源转换系统奠定了基础。
结论：推动电力电子的边界
CoolGaN BDS 650 V G5 代表了功率开关技术的重大飞跃，解决了长期存在的挑战，并为功率转换系统设计开辟了新的可能性。通过将双向阻断和导通能力集成到一个单片器件中，它减少了元件数量，简化了设计，并在各种应用中提高了性能。
创新的四模式操作，结合集成的衬底电压控制电路，为下一代电力系统提供了前所未有的灵活性和控制能力。卓越的性能特性通过先进测量技术精心量化，使设计人员能够准确预测和优化实际应用中的系统行为。
随着电力电子行业不断追求更高的效率、更大的功率密度和更低的成本，CoolGaN BDS 证明了英飞凌对创新和工程卓越的承诺。通过挑战传统方法并开发突破性解决方案，英飞凌不仅正在应对当今的设计挑战，而且也为未来的电源转换系统奠定了基础。
对于希望保持电力电子技术前沿的设计工程师来说，CoolGaN BDS 提供了一个结合技术创新和实际效益的引人入胜的解决方案。无论您是在设计太阳能逆变器、电源、电机驱动器或其他电源转换系统，这项革命性技术都为您提供了创建更高效、紧凑和具有成本效益的产品所需的工具，以满足当今市场的需求，并为明天的挑战做好准备。
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