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氮化鎵雙向開關推動電力電子技術變革

2025-07-11 來源:英飛凌 原創(chuàng)文章
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關鍵詞: 氮化鎵 雙向開關 功率轉(zhuǎn)換 控制靈活性 英飛凌

單器件雙向控制,開啟無限可能

作者:Dr. Kennith Kin Leong, Lead Principal, Product Definition and Concept Engineer, High-Voltage GaN Bidirectional Switch at Infineon Technologies.

校對:宋清亮英飛凌消費、計算與通訊業(yè)務大中華區(qū)技術市場總監(jiān)

電力電子技術在過去幾十年間經(jīng)歷了巨大變革,徹底改變了電能生產(chǎn)、傳輸和消費的方式。在整個能源鏈中,傳統(tǒng)單向開關(UDS)長期作為功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心組件,在眾多應用領域?qū)崿F(xiàn)可靠性能。雖然這些器件也能很好地滿足開發(fā)更高效電源管理解決方案的行業(yè)需求,但其固有局限性始終制約著工程師對更緊湊、高效和經(jīng)濟的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的追求。英飛凌氮化鎵雙向開關的問世,將使這一局面得到徹底改變。

傳統(tǒng)方案的局限性

單向開關的固有局限長期困擾著工程師。在需要雙向電壓阻斷的應用場景中,設計人員不得不采用多個分立器件背靠背連接,不僅使得系統(tǒng)復雜度、占板面積和成本都提高,還額外引入了導致開關性能和效率降低的寄生參數(shù)。更關鍵的是,傳統(tǒng)三端單相開關器件不具備獨立進行雙向電流控制的靈活性,限制了其在先進功率轉(zhuǎn)換拓撲中的應用。

對更高功率密度、更高效率和更低系統(tǒng)成本的追求,使得這些挑戰(zhàn)變得愈發(fā)嚴峻。對于Vienna整流器、T型變換器和HERIC架構等拓撲,采用分立器件背靠背連接的傳統(tǒng)方案,已無法滿足持續(xù)演進的市場需求。這讓開發(fā)能夠突破這些根本性限制并實現(xiàn)全工況性能提升的創(chuàng)新解決方案成為當務之急。

CoolGaN?雙向開關(BDS)系列橫空出世

為了應對這些挑戰(zhàn),英飛凌率先推出了一項突破性解決方案:CoolGaN?雙向開關(BDS)650V G5系列。這一創(chuàng)新器件系列為功率開關技術帶來了一次革命性變化,可為新一代功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供前所未有的控制靈活性。與需要多個分立器件背靠背連接的傳統(tǒng)方案不同,這是一個能夠主動實現(xiàn)雙向電壓和電流阻斷的單片集成式解決方案。

英飛凌CoolGaN?雙向開關產(chǎn)品組合覆蓋多電壓等級需求:650V系列提供TOLT和DSO封裝,850V版本即將上市;同時推出最低40V起的低壓器件,它們在消費電子領域可用作電池阻斷開關。

CoolGaN? BDS 650V G5采用革命性的共漏雙柵結(jié)構,并基于英飛凌歷經(jīng)驗證的高可靠性柵極注入晶體管(GIT)技術。這一獨特架構可通過單一漂移區(qū)實現(xiàn)雙向電壓阻斷,較之傳統(tǒng)背靠背方案顯著縮小了晶圓尺寸。緊湊型集成式設計不僅節(jié)省空間,還能降低寄生參數(shù)影響,從而實現(xiàn)更快的開關速度和更高的轉(zhuǎn)換效率。

技術創(chuàng)新:四象限工作

高壓CoolGaN? BDS系列的真正不同在于其前所未有的四象限控制能力。與傳統(tǒng)三端單向開關不同的是,BDS擁有四個有源端子外加一個襯底端子。這種配置可支持四種工作模式:兩種傳統(tǒng)導通/關斷模式和兩種二極管模式,讓設計人員擁有了無與倫比的控制靈活性。

在雙向關斷模式下(開關模式:關斷),當雙柵極施加零/負偏壓時,該器件可雙向阻斷電壓,實現(xiàn)開路。而在雙向?qū)J较拢ㄩ_關模式:導通),當雙柵極激活時,該器件允許電流雙向自由流動,此時它的作用類似于導通狀態(tài)下的標準MOSFET。這兩個模式相比傳統(tǒng)解決方案已能帶來很大優(yōu)勢,而真正的創(chuàng)新卻來自于兩個額外的二極管模式。

二極管模式——反向阻斷(RB)和正向阻斷(FB)——可使BDS選擇性阻斷一個方向的電壓,同時允許相反方向的電流流動。在反向阻斷模式下,該器件阻斷自下而上的電壓,但允許電流自上而下流動。而在正向阻斷模式下,該器件阻斷自上而下的電壓,但允許電流自下而上流動。這兩個模式對于電壓阻斷方向已知的軟開關操作尤為有益,可確保輸出電容安全放電,并實現(xiàn)性能優(yōu)化。

1CoolGaN? 雙向開關650V G5的四種工作模式及十種可能的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,突顯其獨一無二的能力與靈活性

工程卓越:集成襯底電壓控制

在CoolGaN? BDS設計中,襯底電壓控制是個重大技術難題。傳統(tǒng)單向開關通常將襯底連接至源極以抑制背柵效應,從而避免二維電子氣濃度降低。然而,這種方法并不適用于采用共漏雙源結(jié)構的雙向開關。若讓襯底懸空,將導致電位失控及有害的背柵效應。

為了解決這一難題,英飛凌開發(fā)了創(chuàng)新的單片集成襯底電壓控制電路。該創(chuàng)新方案可動態(tài)選擇擁有最低電位的源極與襯底連接,無需外部輔助電路即可實現(xiàn)最優(yōu)性能。這種集成式設計使BDS在軟/硬開關模式下均能保持卓越性能,從而靈活適配不同應用場景下的性能和效率優(yōu)化需求。

性能卓越:特性參數(shù)的優(yōu)化

CoolGaN? BDS實現(xiàn)了全工況下的性能參數(shù)優(yōu)化。其中,源-源導通電阻(Rss(on))作為最重要的性能參數(shù)之一,直接影響導通損耗和總體效率。靜態(tài)Rss(on)在25°C至150°C溫域內(nèi)呈現(xiàn)近似倍增特性(圖2),凸顯出系統(tǒng)設計中溫度管理的重要性。與某些在低溫范圍溫度系數(shù)呈負值的SiC MOSFET不同,CoolGaN? BDS即使在-40°C仍保持正溫度系數(shù),確保了全溫域運行可靠性。

通過調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)柵極電流,Rss(on)可實現(xiàn)高達3%的優(yōu)化,但需權衡柵極電流損耗。此外,增大柵極電流可使飽和電流提升60%以上,有助于在系統(tǒng)設計中實現(xiàn)效率與性能的平衡。

2CoolGaN? BDS在完整工作溫度范圍內(nèi)的Rss(on)歸一化值

動態(tài)源-源導通電阻Rss(on)可反映CoolGaN? BDS在連續(xù)開關期間的實際性能,該參數(shù)受阻斷電壓、開關頻率及溫度的三重影響。利用改進版自補償雙二極管通態(tài)壓降測量電路(OVMC),搭建一個升壓轉(zhuǎn)換器測試裝置:其中,BDS作為低邊開關,SiC肖特基二極管作為高邊開關并處于連續(xù)導通模式(CCM)。

在50kHz和100kHz硬開關頻率下,動態(tài)Rss(on)與靜態(tài)值非常接近,僅增加5-7%。更高開關頻率會導致動態(tài)Rss(on)增大,這是由于測量周期縮短所致。溫度對動態(tài)Rss(on)也有影響,但CoolGaN? BDS在典型工況下可保持穩(wěn)定性能,確保其在終端應用中具有可預測的性能表現(xiàn)。高穩(wěn)定性凸顯出器件設計的魯棒性,使其特別適用于高開關頻率及溫度工況惡劣的應用場景。

3:不同開關頻率下CoolGaN? BDS在完整殼溫范圍內(nèi)的動態(tài)Rss(on)歸一化值

軟開關性能更為出色(如圖4所示)。在500kHz開關頻率下,電壓為110V時動態(tài)Rss(on)較靜態(tài)值僅增加約5%;電壓為400V時動態(tài)Rss(on)較靜態(tài)值增加約16.5%。這種隨交流電網(wǎng)電壓變化的特性表明,基于交流電壓的全周期平均值進行系統(tǒng)設計優(yōu)化是切實可行的工程方法。更值得注意的是,當開關頻率從100kHz提高至300kHz時,動態(tài)Rss(on)歸一化值僅增加至1.06,增幅僅為6%(參見圖5)。這充分顯示了軟開關能夠有效減小開關頻率對開關性能的影響。

4500 kHz開關頻率下和不同阻斷電壓下CoolGaN? BDS在完整殼溫范圍內(nèi)的動態(tài)Rss(on)歸一化值

圖5顯示了在400 V軟開關模式下CoolGaN? BDS在完整殼溫范圍內(nèi)的動態(tài)Rss(on)歸一化值。在100 kHz開關頻率下,動態(tài)Rss(on)約為1,接近于靜態(tài)值;隨著開關頻率提高,動態(tài)Rss(on)略微上升,在300 kHz開關頻率下僅增加至1.06。這充分顯示了軟開關能夠有效減小開關頻率的影響,幫助提升開關效率。

5400 V 輸入電壓下和不同開關頻率下CoolGaN? BDS在完整殼溫范圍內(nèi)的動態(tài)Rss(on)歸一化值

開關損耗:精確測量

精確測量開關損耗是評估CoolGaN? BDS等寬禁帶器件效率的關鍵。目前尚無能準確區(qū)分BDS開通損耗和關斷損耗的方法。雖然軟開關損耗極低,但由于襯底電壓控制電路相關損耗及輸出電容(Coss)滯回損耗的存在,開通損耗仍不可視為零。因此,所有開關損耗均以每周期開關損耗(即開通損耗與關斷損耗之和)來表示,單位為微焦耳(μJ)。

利用升壓轉(zhuǎn)換器測試裝置在連續(xù)導通模式(CCM)下進行硬開關損耗測量(圖6),從校準熱損耗中減去導通損耗。測量顯示,在500kHz開關頻率下,開關損耗與關斷電流及輸入電壓成正比關系。

6500 kHz開關頻率下和兩個不同輸入電壓下CoolGaN? BDS 650 V G5(IGLT65R055B2)的每周期硬開關損耗。

利用半橋配置在三角波電流模式下進行三個電壓等級(110 V、240 V和400 V)下的軟開關損耗評估(圖7)。結(jié)果顯示,軟開關損耗顯著低于硬開關。雖然無法分離單個開關事件對應的損耗,但每周期開關損耗總計數(shù)據(jù)仍有助于設計人員精準預測熱管理需求和優(yōu)化實際應用的效率。

7500 kHz開關頻率下和三個不同輸入電壓下CoolGaN? BDS 650 V G5(IGLT65R055B2)的每周期軟開關損耗。

設計考量:雙向開關(BDS)與背靠背(B2B)比較

評估CoolGaN? BDS時,需將其與傳統(tǒng)背靠背結(jié)構而非單個單向開關進行對比。

較之Si和SiC B2B結(jié)構,CoolGaN? BDS具有更優(yōu)異的品質(zhì)因數(shù)(FoM),其源-源導通電阻與柵極電荷乘積(Rss(on) ×QG)降低了85%以上。這使其每周期開關損耗大幅降低,因此尤其適用于高開關頻率的應用。

8:不同技術GaN、SiSiC下的雙向開關與單向開關B2B配置的FOM對比柵極驅(qū)動和電源

CoolGaN? BDS采用共漏雙柵結(jié)構,每個柵極均以自身源極為參考電位進行獨立控制,且需配置專屬的開爾文源極端子作為柵極驅(qū)動器的回流路徑。該BDS基于GIT技術,每個柵極需要一個RC外部驅(qū)動電路來控制導通和穩(wěn)態(tài)柵極電流。

RC外部驅(qū)動電路的關鍵優(yōu)勢在于其能夠在關斷時自動產(chǎn)生負柵極電壓,該特性是所有分立式GaN開關器件的推薦設計。BDS的每個柵極需配備獨立的隔離型柵極驅(qū)動器及隔離式輔助電源。因為有些節(jié)點可以共用一個電源,實際所需的輔助電源總數(shù)取決于具體電路拓撲。

柵極驅(qū)動

英飛凌提供全面的EiceDRIVER?柵極驅(qū)動器IC產(chǎn)品組合,它們擁有不同的隔離等級、電壓等級、保護特性、以及封裝選項。如表1所示,該IC系列可提供單通道配置。

表1:EiceDRIVER? 柵極驅(qū)動器IC

這些驅(qū)動器IC與CoolGaN? BDS形成最佳組合,在高性能應用中實現(xiàn)高效率、高魯棒性和高功率密度。訪問www.infineon.com/gatedrivers,獲取關于EiceDRIVER?產(chǎn)品系列及相關評估板的更多信息。

隔離式輔助電源

CoolGaN? BDS的隔離式輔助電源設計可采取不同的方案,每個方案各有優(yōu)劣。小型隔離式DC/DC模塊可簡化設計,但成本較高。在電路板上集成脈沖變壓器的方案可大幅降低成本。

集成脈沖變壓器的方案雖然需要占用更多電路板空間,但能降低隔離式輔助電源的成本,并提供高度靈活性和支持定制化設計。設計人員可將1EDN7512G驅(qū)動器IC與脈沖變壓器結(jié)合,打造出緊湊、高效、滿足特定應用需求的隔離式輔助電源。

重大變革與實用價值

CoolGaN? BDS可在眾多應用領域帶來革命性改變,其相比傳統(tǒng)解決方案具有顯著優(yōu)勢。其最直接的用途之一是,能夠取代已有系統(tǒng)中的背靠背分立器件。BDS可為Vienna整流器、T型變換器和HERIC架構等應用提供更高效、更經(jīng)濟的集成式解決方案。

更值得關注的是,BDS可在光伏微型逆變器等單級隔離拓撲中實現(xiàn)單級DC/AC變換。單器件實現(xiàn)雙向電壓阻斷,可簡化電路設計,減少元件數(shù)量,并提高效率。這可幫助設計人員實現(xiàn)更緊湊和經(jīng)濟高效的設計,并加快上市速度,從而在當前瞬息萬變的市場環(huán)境中占據(jù)競爭優(yōu)勢。

單級隔離式AC功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)具有多項重要優(yōu)勢:提高效率(由于變換級減少),減小尺寸,以及降低成本(通過使用高頻變壓器)。這種系統(tǒng)還能實現(xiàn)更高靈活性,包括電壓調(diào)節(jié)、頻率切換、以及自然雙向功率流。雖然還須解決開關損耗、EMI、控制復雜性、以及器件應力等挑戰(zhàn),但CoolGaN? BDS為克服這些障礙、開發(fā)新一代功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)奠定了基礎。

結(jié)論:突破電力電子技術的極限

CoolGaN? BDS 650 V G5代表著功率開關技術取得的一次重大飛躍,其解決了長期困擾著設計人員的技術挑戰(zhàn),為功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設計開啟了新的可能。由于可通過單器件實現(xiàn)雙向阻斷和導通能力,BDS可在眾多應用場景中幫助減少元件數(shù)量,簡化設計,并提升性能。

支持四種工作模式結(jié)合集成襯底電壓控制電路,使得BDS為新一代功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)提供了前所未有的控制靈活性。卓越的性能參數(shù)已通過先進測量技術進行精確量化,有助于設計人員精準預測和優(yōu)化在實際應用中的系統(tǒng)性能表現(xiàn)。

在電力電子行業(yè)持續(xù)追求更高效率、更高功率密度和更低成本的背景下,CoolGaN? BDS更加體現(xiàn)了英飛凌對創(chuàng)新和工程卓越的堅定追求。通過挑戰(zhàn)傳統(tǒng)方案和開發(fā)新的顛覆性解決方案,英飛凌不僅解決了當前的設計挑戰(zhàn),也為未來的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設計奠定了基礎。

對于想要走在電力電子技術前沿的設計人員而言,CoolGaN? BDS是一個融合了技術創(chuàng)新與實用價值的有吸引力解決方案。無論您是設計光伏逆變器、電源、電機驅(qū)動,還是其他功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng),這項革命性技術都能幫助您打造更高效、緊湊和經(jīng)濟的產(chǎn)品,不僅滿足當前市場需求,還能應對未來的潛在挑戰(zhàn)。

訪問www.infineon.com/gan-bds-hv,了解關于CoolGaN? BDS 650 V G5的更多信息,探索這項先進解決方案如何能為您的下一個設計帶來革命性改變。雙向開關的未來已來,答案就在CoolGaN? BDS!

圖9:2025年的CoolGaN?雙向開關(BDS)產(chǎn)品系列;標注 * 的型號為在研產(chǎn)品。




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