双向 GaN 开关:单级 BDS 转换器的转换
出处:网络整理 发布于:2025-05-23 15:35:19
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]
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