使用雙向 GaN 開關(guān)實現(xiàn)單級功率轉(zhuǎn)換

英飛凌的單片雙向 GaN HEMT 基于其 CoolGaN 技術(shù)，代表了電力電子領(lǐng)域的一項非凡創(chuàng)新，特別是在實現(xiàn)單級功率轉(zhuǎn)換方面。這些 BDS 有助于開發(fā)具有更少組件、更低成本和簡化設(shè)計的轉(zhuǎn)換器，與傳統(tǒng)兩級方法相比具有顯著優(yōu)勢。

傳統(tǒng)兩級與單級轉(zhuǎn)換

在傳統(tǒng)的兩級功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，功率因數(shù)校正(PFC)和DC/DC轉(zhuǎn)換是分開處理的，需要多個組件并導(dǎo)致更高的成本、更大的外形尺寸和更大的復(fù)雜性。

由 GaN BDSes 實現(xiàn)的向單級轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)變(圖 1)消除了中間直流鏈路，提高了功率密度和效率，并降低了外形尺寸和成本。此外，它還支持雙向功率流，這是儲能系統(tǒng)和電動汽車充電器等連接到電網(wǎng)的應(yīng)用的關(guān)鍵因素。

圖 1：傳統(tǒng)與單級電源轉(zhuǎn)換器。傳統(tǒng)方法需要一個中間直流母線電容器作為 PFC 級的輸出濾波器，吸收開關(guān)電流并最大限度地降低紋波電壓。

單片 GaN BDS 有何獨特之處?

英飛凌的單片 BDS 利用橫向 GaN 器件結(jié)構(gòu)的固有優(yōu)勢，實現(xiàn)真正的四象限開關(guān)。這些器件可以在兩種極性下傳導(dǎo)電流并阻斷電壓，使其成為緊湊高效電源系統(tǒng)的理想選擇。

基于 CoolGaN 的 BDS HEMT 通過集成兩個隔離柵極的單片結(jié)構(gòu)(圖 2a)實現(xiàn)雙向性。這種配置允許通過獨立控制每個柵極的開/關(guān)狀態(tài)來在兩個方向傳導(dǎo)電流。

兩個柵極共享一個漂移區(qū)，這意味著無論電流方向如何，它都可以阻止電壓。這種結(jié)構(gòu)簡化了設(shè)計，因為一個 BDS 可以取代需要雙向電流的電路中的多個晶體管，例如 AC/DC 轉(zhuǎn)換器和功率逆變器(圖 2b)。

圖2：(a)北斗系統(tǒng)結(jié)構(gòu); (b) 單個北斗系統(tǒng)可以替代多個電源開關(guān)。

北斗技術(shù)的主要特點可概括如下：

· 兩個門獨立隔離控制，實現(xiàn)多功能操作

· 共享漂移區(qū)可阻斷兩個方向的電壓，從而降低材料和制造復(fù)雜性

· 集成襯底電壓控制電路，動態(tài)地將襯底連接到最低電位的源極，簡化設(shè)計并消除外部襯底電路

這種集成確保了軟開關(guān)和硬開關(guān)場景中近乎理想的性能，解決了 GaN 技術(shù)的傳統(tǒng)挑戰(zhàn)。其結(jié)果是一個高度可靠且用戶友好的解決方案，不需要系統(tǒng)設(shè)計人員付出額外的努力。

GaN的橫向結(jié)構(gòu)

GaN 器件的橫向結(jié)構(gòu)對于實現(xiàn)真正的四象限開關(guān)操作至關(guān)重要，四象限開關(guān)操作是指開關(guān)在兩種極性下傳導(dǎo)電流和阻斷電壓的能力。此功能對于高級電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中的雙向功率流至關(guān)重要。

在硅 IGBT 和碳化硅 MOSFET 等垂直器件中，電流垂直流過襯底。阻斷電壓能力是單向的，因為電流路徑和電場分布針對一種極性進行了優(yōu)化。雙向操作需要額外的組件(例如反并聯(lián)二極管)，從而增加了復(fù)雜性和損耗。

在橫向功率器件(例如 GaN HEMT)中，電流橫向流動(平行于襯底表面)，并且可以將器件設(shè)計為允許雙向電流流動。 GaN HEMT 的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是在 GaN 和 AlGaN 層的界面處形成高遷移率 2DEG 溝道。該通道具有高導(dǎo)電性，并以非常低的電阻支持橫向電流。

解決基材挑戰(zhàn)

GaN 單向開關(guān)(例如 CoolGaN、CoolMOS 和 CoolSiC 產(chǎn)品系列中的開關(guān))使用基板作為開關(guān)器件的源極端子(圖 3a)。然而，對于單片 BDS，會出現(xiàn)一個問題，因為浮動基板與兩個源 S1 和 S2 不一致(見圖 3b)。

這個問題必須得到解決，因為浮動襯底可能導(dǎo)致襯底電勢不受控制，并由于背柵效應(yīng)而降低 2DEG 中的電子濃度。英飛凌的 CoolGaN BDS 通過將襯底電壓控制電路直接集成到同一芯片上解決了這個問題(圖 3c)。該電路動態(tài)地將基板連接到具有最低電勢的源。

圖3：(a)單向開關(guān); (b) 具有浮動基板的整體北斗系統(tǒng); (c) 英飛凌的 CoolGaN BDS 解決方案

使用 GaN BDS 進行單級轉(zhuǎn)換的一些優(yōu)點包括：

· 減少元件數(shù)量：通過將 PFC 和 DC/DC 轉(zhuǎn)換功能合并到一個級中，需要的元件更少，從而降低了制造和裝配成本。

· 簡化設(shè)計：英飛凌的 GaN BDS 憑借集成基板控制和緊湊設(shè)計，最大限度地降低了設(shè)計復(fù)雜性，從而加快了開發(fā)周期。

· 更高的效率：CoolGaN BDS 實現(xiàn)了近乎理想的開關(guān)行為，提高了高功率應(yīng)用的整體效率。

· 緊湊、輕便：消除直流鏈路并減少組件數(shù)量，實現(xiàn)更小、更輕的設(shè)計，非常適合空間受限的應(yīng)用。

· 雙向功率流：支持雙向功率傳輸對于現(xiàn)代并網(wǎng)系統(tǒng)和可再生能源應(yīng)用至關(guān)重要。

目標應(yīng)用程序和性能指標

CoolGaN BDS 產(chǎn)品系列包括三種器件，全部具有 650V 額定電壓、TO 引線頂側(cè)冷卻封裝和不同的導(dǎo)通電阻值(110 mΩ 典型值、55 mΩ 典型值和 35 mΩ 典型值)。

英飛凌的 CoolGaN BDS 針對儲能系統(tǒng)、電動汽車充電器和高性能工業(yè)轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用。憑借其單片設(shè)計，BDS 具有出色的熱性能、低傳導(dǎo)損耗和各種額定功率的可擴展性。典型的軟開關(guān)和硬開關(guān)波形如圖 4 所示。

圖 4：軟開關(guān)和硬開關(guān)期間的典型波形

文中提出的單級隔離電源轉(zhuǎn)換拓撲(無論是諧振還是非諧振)都需要額定電壓為 900 至 1,200 V 的開關(guān)器件。其他拓撲，例如三相 DAB 型 PFC 和三相固定頻率諧振環(huán)路轉(zhuǎn)換器，僅需要 650V 額定開關(guān)，并且可以使用 BDS 器件來實現(xiàn)。