傳統(tǒng)方法的局限性

多年來，工程師們一直致力于解決單向開關(guān)的基本限制。當(dāng)需要雙向電壓阻斷時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須使用多個(gè)分立元件實(shí)現(xiàn)背靠背配置，導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)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，從而影響開關(guān)性能和效率。此外，傳統(tǒng)的三端 UDS 設(shè)備無法獨(dú)立控制雙向電流流，限制了它們?cè)诟呒?jí)電源轉(zhuǎn)換拓?fù)渲械膽?yīng)用。

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隨著行業(yè)向更高功率密度、更高效率和更低系統(tǒng)成本發(fā)展，這些挑戰(zhàn)變得越來越重要。傳統(tǒng)的使用背靠背分立開關(guān)的方法，在維也納整流器、T 型轉(zhuǎn)換器和 HERIC 配置等應(yīng)用中，導(dǎo)致設(shè)計(jì)不理想，無法滿足不斷變化的市場需求。這迫切需要?jiǎng)?chuàng)新的解決方案，以克服這些基本限制，并在廣泛的運(yùn)行條件下提供更好的性能。

引入 CoolGaN 雙向開關(guān)（BDS）系列

為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，英飛凌開創(chuàng)了一項(xiàng)突破性解決方案：CoolGaN 雙向開關(guān)（BDS）650 V G5。這個(gè)創(chuàng)新器件系列代表了功率開關(guān)技術(shù)的范式轉(zhuǎn)變，為下一代功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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(guī)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(xiàng)即將推出，公司還提供從 40 V 開始的較低電壓選項(xiàng)。這些低電壓 GaN 開關(guān)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品，作為電池?cái)嚅_開關(guān)。

CoolGaN BDS 650 V G5 采用了一種革命性的共漏設(shè)計(jì)，具有雙柵極結(jié)構(gòu)，利用了英飛凌成熟的柵極注入晶體管（GIT）技術(shù)。這種獨(dú)特的架構(gòu)使得同一漂移區(qū)可以雙向阻斷電壓，與傳統(tǒng)的背靠背排列相比，顯著減小了芯片尺寸。緊湊的集成設(shè)計(jì)不僅節(jié)省空間，還減少了寄生元件，實(shí)現(xiàn)了更快的開關(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(tǒng)的三端單向開關(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(xiàn)了四種不同的工作模式：兩種傳統(tǒng)的開/關(guān)模式和兩種二極管模式，為設(shè)計(jì)人員提供了前所未有的控制靈活性。

在雙向關(guān)斷模式（開關(guān)模式關(guān)斷）下，當(dāng)兩個(gè)柵極施加零或負(fù)電壓時(shí)，器件在兩個(gè)方向上均阻斷電壓，有效起到開路作用。相反，在雙向?qū)Ｊ剑ㄩ_關(guān)模式導(dǎo)通）下，當(dāng)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)，類似于標(biāo)準(zhǔn) MOSFET 的導(dǎo)通狀態(tài)。僅這些模式就為傳統(tǒng)解決方案提供了顯著優(yōu)勢(shì)，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 雙向開關(guān) 650 V G5 的四種工作模式和十種可能的轉(zhuǎn)換，突出了其獨(dú)特能力和靈活性。 圖片由 Bodo’s Power Systems 提供 [PDF]

這些模式對(duì)于已知電壓阻斷方向的軟開關(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(shè)計(jì) CoolGaN BDS 時(shí)，管理襯底電壓是一個(gè)重要的技術(shù)挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的 UDS 設(shè)計(jì)中，襯底通常連接到源極以防止背柵效應(yīng)，這會(huì)降低 2DEG（二維電子氣）的電荷濃度。然而，BDS 的常見漏極配置，具有兩個(gè)源極，使得這種方法不切實(shí)際。簡單地浮動(dòng)襯底會(huì)導(dǎo)致無法控制的電勢(shì)和有害的背柵效應(yīng)。

為克服這一挑戰(zhàn)，英飛凌開發(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(shì)最低的源極，確保最佳性能，而無需外部支持電路。這種集成方法使 BDS 能夠在軟開關(guān)和硬開關(guān)模式下有效運(yùn)行，適應(yīng)各種應(yīng)用需求，以實(shí)現(xiàn)最佳性能和效率。

性能特點(diǎn)：數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)卓越

CoolGaN BDS 在廣泛的運(yùn)行條件下表現(xiàn)出色。評(píng)估其性能的關(guān)鍵參數(shù)之一是源到源導(dǎo)通電阻（Rss(on)），它直接影響導(dǎo)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(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiàn)出負(fù)溫度系數(shù)的 SiC MOSFET 不同，CoolGaN BDS 即使在-40°C 時(shí)也保持正系數(shù)，確保其在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的可靠運(yùn)行。

通過調(diào)整穩(wěn)態(tài)柵極電流，可以將 Rss(on) 優(yōu)化高達(dá) 3%，以犧牲更高的柵極電流損耗為代價(jià)來提升性能。此外，增加?xùn)艠O電流可以使飽和電流提升 60%或更多，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中平衡效率和性能。

圖 2。 CoolGaN 雙向開關(guān)在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)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(xù)開關(guān)過程中的性能真實(shí)測(cè)量，受阻斷電壓、開關(guān)頻率和溫度的影響。在一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器設(shè)置中，使用了一個(gè)改進(jìn)的自補(bǔ)償雙二極管降 On 狀態(tài)電壓測(cè)量電路 (OVMC)，其中 BDS 作為低邊開關(guān)，高邊 SiC 肖特基二極管在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 下工作。

在 50 kHz 和 100 kHz 硬開關(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(cè)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(xiàn)出穩(wěn)定的性能，確保了在終端應(yīng)用中的可預(yù)測(cè)行為。這種穩(wěn)定性突出了該器件的堅(jiān)固設(shè)計(jì)，使其適合高頻和熱要求苛刻的環(huán)境。

圖 3。 不同開關(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(nèi)的平均值來使用，是一種實(shí)用的系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。此外，即使開關(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%（見圖 5），這突出了軟開關(guān)在減少頻率對(duì)性能影響方面的優(yōu)勢(shì)。 

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 雙向開關(guān)在 400V 電壓和軟開關(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(dá)到 1.06。這種微小的增加突出了軟開關(guān)在最小化頻率影響和提升效率方面的優(yōu)勢(shì)。

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

開關(guān)損耗：精密測(cè)量

精確確定開關(guān)損耗對(duì)于評(píng)估 CoolGaN BDS 等寬禁帶器件的效率至關(guān)重要。目前，尚無已知方法能夠準(zhǔn)確分離 BDS 的導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗。雖然軟開關(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(xiàn)，導(dǎo)通損耗并非為零。因此，所有開關(guān)損耗均以微焦耳每周期的形式表示，涵蓋了導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗。

對(duì)于硬開關(guān)測(cè)量（圖 6），采用了一個(gè)在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）下工作的升壓設(shè)置，從校準(zhǔn)的熱損耗中扣除了導(dǎo)通損耗。在 500 kHz 的測(cè)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)周期硬開關(guān)損耗。 圖片由 Bodo’s Power Systems 提供 [PDF]

軟開關(guān)評(píng)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(jí)（110 V、240 V 和 400 V），與硬開關(guān)相比，顯著降低了損耗。這種全面的每周期數(shù)據(jù)使設(shè)計(jì)人員能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熱需求，并在實(shí)際應(yīng)用中優(yōu)化效率，盡管無法隔離單個(gè)開關(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關(guān)損耗。 圖片由 Bodo’s Power Systems 提供 [PDF]

設(shè)計(jì)考量：雙向開關(guān)（BDS）與背靠背（B2B）比較

在評(píng)估 CoolGaN BDS 時(shí)，必須將其與傳統(tǒng)背對(duì)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(xiàn)出更優(yōu)越的品質(zhì)因數(shù)（FoM），其 Rss(on) × QG 低 85% 以上。這導(dǎo)致每個(gè)周期的能量損耗顯著降低，使其非常適合高頻應(yīng)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(qū)動(dòng)和電源

CoolGaN BDS 是一種共漏器件，具有兩個(gè)相對(duì)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(qū)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 接口來控制導(dǎo)通和穩(wěn)態(tài)柵極電流。

RC 接口的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是能夠在關(guān)斷時(shí)生成自然的負(fù)門極電壓，這是所有離散 GaN 開關(guān)的推薦做法。對(duì)于 BDS，每個(gè)門極都需要自己的隔離門極驅(qū)動(dòng)器以及隔離的輔助電源。雖然輔助電源的總數(shù)取決于具體的電路拓?fù)洌承┕?jié)點(diǎn)可以共享一個(gè)公共電源。

柵極驅(qū)動(dòng)

Infineon 提供一系列 EiceDRIVER 柵極驅(qū)動(dòng) IC，具有多種隔離級(jí)別、電壓等級(jí)、保護(hù)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(qū)動(dòng)器 IC

這些驅(qū)動(dòng) IC 與 CoolGaN BDS 結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)在高性能應(yīng)用中達(dá)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多種方法實(shí)現(xiàn)，每種方法都有其自身的權(quán)衡。采用小型隔離 DC-DC 模塊的直截了當(dāng)?shù)姆椒ㄊ且环N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(shè)計(jì)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。通過利用 1EDN7512G 驅(qū)動(dòng) IC 和脈沖變壓器，設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建一個(gè)緊湊高效的隔離輔助電源，以滿足其應(yīng)用的特定需求。

轉(zhuǎn)變應(yīng)用：實(shí)際效益

CoolGaN BDS 正準(zhǔn)備徹底改變各種應(yīng)用，提供比傳統(tǒng)解決方案顯著的優(yōu)點(diǎn)。最直接的好處之一是能夠替換現(xiàn)有設(shè)計(jì)中的背靠背分立開關(guān)。在維也納整流器、T 型轉(zhuǎn)換器和 HERIC 配置等應(yīng)用中，BDS 提供了更集成、高效和經(jīng)濟(jì)的解決方案。

甚至可能更令人興奮的是，在太陽能微型逆變器和其他單級(jí)隔離拓?fù)渲袑?shí)現(xiàn)單級(jí) DC/AC 轉(zhuǎn)換的潛力。通過允許單級(jí)器件進(jìn)行雙向電壓阻斷，BDS 簡化了電路設(shè)計(jì)，減少了元件數(shù)量，并提高了效率。這導(dǎo)致了更緊湊、經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，能夠更快地推向市場，在當(dāng)今快節(jié)奏的行業(yè)中提供了競爭優(yōu)勢(shì)。

單級(jí)隔離式交流電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用展示了幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：通過減少轉(zhuǎn)換級(jí)數(shù)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(qiáng)的靈活性，支持電壓縮放、頻率轉(zhuǎn)換和自然雙向功率流。雖然必須解決開關(guān)損耗、EMI、控制復(fù)雜性和元件應(yīng)力等挑戰(zhàn)，但 CoolGaN BDS 為克服這些障礙和開發(fā)下一代電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

結(jié)論：推動(dòng)電力電子的邊界

CoolGaN BDS 650 V G5 代表了功率開關(guān)技術(shù)的重大飛躍，解決了長期存在的挑戰(zhàn)，并為功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)設(shè)計(jì)開辟了新的可能性。通過將雙向阻斷和導(dǎo)通能力集成到一個(gè)單片器件中，它減少了元件數(shù)量，簡化了設(shè)計(jì)，并在各種應(yīng)用中提高了性能。

創(chuàng)新的四模式操作，結(jié)合集成的襯底電壓控制電路，為下一代電力系統(tǒng)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先進(jìn)測(cè)量技術(shù)精心量化，使設(shè)計(jì)人員能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)和優(yōu)化實(shí)際應(yīng)用中的系統(tǒng)行為。

隨著電力電子行業(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(duì)創(chuàng)新和工程卓越的承諾。通過挑戰(zhàn)傳統(tǒng)方法并開發(fā)突破性解決方案，英飛凌不僅正在應(yīng)對(duì)當(dāng)今的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，而且也為未來的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

對(duì)于希望保持電力電子技術(shù)前沿的設(shè)計(jì)工程師來說，CoolGaN BDS 提供了一個(gè)結(jié)合技術(shù)創(chuàng)新和實(shí)際效益的引人入勝的解決方案。無論您是在設(shè)計(jì)太陽能逆變器、電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器或其他電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，這項(xiàng)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，以滿足當(dāng)今市場的需求，并為明天的挑戰(zhàn)做好準(zhǔn)備。