双向 GaN 开关：单级 BDS 转换器的转换

例如，典型的交流/直流电动汽车车载充电器（OBC）实施了一个初始的功率因数校正（PFC）阶段和一个后续的 DC/DC 阶段，该阶段由笨重的“DC-link”电容器缓冲。这种拓扑结构的问题是，由此产生的系统体积大、损耗高、复杂且昂贵。

今天超过 70%的高压电源转换器使用两阶段拓扑结构，先使用 PFC 阶段，然后是 DC/DC 阶段以提供所需的电压。图片来自 Bodo’s Power Systems [PDF]。

双向电源转换器的历史简述

理想的开关是双向的，既能双向阻断电压，又能双向处理电流。它会提供的传导和动态损耗，有效地散发热量，并具有高功率密度。自 1947 年双极型晶体管的发明以来的近 80 年里，电力半导体的发展已经使行业更接近这一理想状态。

门极可关断晶闸管（1957 年）能够处理双向电压，但不能处理电流。晶闸管（1958 年）能够处理电流和电压，但速度非常慢，只能在 50 或 60 赫兹的频率下工作，与交流电的频率一致。金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET，1959 年）可以在十千赫兹甚至 100 千赫兹的频率下工作。随后创建了双向 MOSFET，但这种双向 MOSFET 功率较低且应用有限。硅绝缘栅双极型晶体管（IGBT，1980 年）随后出现，提供了更高的功率，但双向功能仍然是一个挑战，IGBT 只能处理电流或电压，但不能在单一设备中同时处理两者。

宽禁带半导体的引入在功率技术方面取得了显著进步，显著提高了功率密度；但这些初始设备仍然缺乏双向能力。氮化镓（GaN）的应用进一步推动了这一进程，提供了更高的开关频率和高功率，并在同一芯片上集成了控制和保护功能。然而，它仍然不是双向的。

然而，在三月，Navitas 推出了行业首款 650 V 双向 GaN 功率 IC，使功率转换从两阶段拓扑转变为单阶段拓扑。Navitas 的 NV6427 和 NV6428 是双向 GaN 功率 IC，连续工作在 650 VSS 下，R SS(ON)typ 为 50 mΩ（I SS 为 49 A），R SS(ON)typ 为 100 mΩ（I SS 为 25 A）。它们具有零反向恢复电荷，并可工作至 2 MHz。它们采用 TOLT-16L 热增强顶置散热封装。

双向 GaN 功率开关

双向 GaN 功率开关的出现将两个阶段合并为一个高速、高效率的阶段，并在此过程中消除了笨重的电容器和输入电感。它能够双向处理电流和电压，并以非常高的频率切换，这意味着它非常适合单阶段转换器。

图 2. 双向氮化镓开关在硅衬底上使用氮化镓/铝氮化镓结构来创建具有两个功率端子和两个栅极的二维电子气（2DEG）导电通道。图片来源于 Bodo’s Power Systems [PDF]

双向 GaN 必须在两个方向上处理电压，因此需要单独的栅极来控制电流流动，这取决于极性。为了实现这一点，GaN/AlGaN 外延堆栈生长在硅基板上以形成 2DEG 导电通道。处理后的器件结构具有两个功率端子和两个栅极。仅实现这种结构会存在问题，因为硅基板与源端子不相关，因此会漂浮，导致基板电位积聚，并由于这种“背面栅极”效应降低 2DEG 浓度。

Navitas 是个开发并发布主动基板夹紧技术的公司，该技术可以自主驱动硅基板到电位的源。这使得双向开关（BDS）能够在没有电阻变化的情况下稳定运行，并在许多应用中比未夹紧的解决方案冷却 15 °C。这种改进可以在图 4 中看到，其中包含电流（绿色三角波形）和开关上的电压：夹紧（粉红色曲线）和未夹紧（白色曲线）。在这里，我们看到适当的夹紧可以消除任何增加，提高效率并使操作更加平稳。

图 3. 该设备会自动检测并连接替代电源到基板。图片来自 Bodo’s Power Systems 

图 4. 开关上的箝位（粉红色）/未箝位（白色）电压和电流（绿色）- 箝位电压未显示降低效率的电压尖峰。图片 courtesy 于 Bodo’s Power Systems [PDF]

 还应注意，双向 GaN 还需要专用驱动器来控制其两个栅极，该驱动器必须能够处理高瞬态条件、非常高的电压隔离，并确保信号完整性。在这种情况下，该设备能够在超过 5 kV 的条件下运行，并处理高达 200 V/ns 的极端瞬态。

因此，为了配合双向 GaN，已经开发了 IsoFast 驱动器，这是一种高速隔离 GaN 驱动器，特别针对此开关进行了优化，可在超过 1 MHz 的频率下运行，同时处理 5 kV 的电压，保持高速信号的完整性。此外，不需要负驱动来关断该设备，从而降低成本和复杂性。

图 5. 新的单级拓扑结构通过双向 GaN 消除了 PFC 级和 DC-链接电容器，同时实现了超高的频率。这意味着密度、尺寸和重量分别提高了 30%，并额外实现了 10%的能量节省和系统解决方案高达 10%的成本节省。图片来自 Bodo’s Power Systems [PDF]

单级拓扑结构的优势

正如我们开头所说，绝大多数功率转换器使用两阶段拓扑结构，这种结构速度较慢且效率较低，导致体积庞大的功率转换器，其损耗远非理想。作为行业，我们在硅碳（SiC）和 GaN 的引入下取得了巨大的进步，特别是在提高这些两阶段转换器的效率、功率密度和开关速度方面。但我们正在接近这种拓扑结构的极限，即使使用宽带隙材料也是如此。

单级 BDS 转换器的创建不仅消除了 PFC 阶段，还消除了电解电容器和 DC 链电容器。此外，该拓扑结构本质上是软开关，这使得可以利用高频优势，同时显著缩小了被动元件的尺寸。因此，这带来了 30%的功率密度提升，10%的能源节约，以及 10%的成本降低。然而，更为重要的是，能够提供双向能量流动的能力，这对于允许可再生能源、交流电源电网、能源存储（包括电动汽车车载充电器）高效交换电力至关重要。

实际：太阳能微型逆变器

脱离理论值，让我们看看传统的 400W 太阳能微型逆变器，它采用两阶段拓扑结构，从太阳能电池板传输到储能或电网。这使用了一个 DC/DC 升压变压器，接着是一个 400V DC 母线，然后将 400V DC 转换为交流电以馈入电网。如图 6 和 7 所示，这种设计需要磁性组件，以及大量的电容器和多个开关组件。

图 6. 基于环形变换器的 500W 太阳能微型逆变器。图片来自 Bodo’s Power Systems [PDF]

图 7 显示了一家的太阳能微型逆变器制造商正在实施的单阶段 BDS。对于这种设计，它提供了一个更强大的设计（500W），并且在更小的体积中实现，消除了一个磁性组件，并减少了组件数量。这种拓扑结构将系统效率从 96%提高到 97.5%，并降低了 30%的发电成本，从每瓦 0.10 美元降至每瓦 0.07 美元。

图 7. 基于循环转换器拓扑的 500 W 太阳能微逆变器（图 6 中的电路图），与传统的 400 W 两阶段解决方案（左侧）相比，单阶段 BDS 转换器解决方案展示了尺寸、组件数量和复杂性的减少（右侧）。图片来自 Bodo’s Power Systems [PDF]