使用双向 GaN 开关实现单级功率转换

英飞凌的单片双向 GaN HEMT 基于其 CoolGaN 技术，代表了电力电子领域的一项非凡创新，特别是在实现单级功率转换方面。这些 BDS 有助于开发具有更少组件、更低成本和简化设计的转换器，与传统两级方法相比具有显着优势。

传统两级与单级转换

在传统的两级功率转换系统中，功率因数校正(PFC)和DC/DC转换是分开处理的，需要多个组件并导致更高的成本、更大的外形尺寸和更大的复杂性。

由 GaN BDSes 实现的向单级转换的转变(图 1)消除了中间直流链路，提高了功率密度和效率，并降低了外形尺寸和成本。此外，它还支持双向功率流，这是储能系统和电动汽车充电器等连接到电网的应用的关键因素。

图 1：传统与单级电源转换器。传统方法需要一个中间直流母线电容器作为 PFC 级的输出滤波器，吸收开关电流并最大限度地降低纹波电压。

单片 GaN BDS 有何独特之处?

英飞凌的单片 BDS 利用横向 GaN 器件结构的固有优势，实现真正的四象限开关。这些器件可以在两种极性下传导电流并阻断电压，使其成为紧凑高效电源系统的理想选择。

基于 CoolGaN 的 BDS HEMT 通过集成两个隔离栅极的单片结构(图 2a)实现双向性。这种配置允许通过独立控制每个栅极的开/关状态来在两个方向传导电流。

两个栅极共享一个漂移区，这意味着无论电流方向如何，它都可以阻止电压。这种结构简化了设计，因为一个 BDS 可以取代需要双向电流的电路中的多个晶体管，例如 AC/DC 转换器和功率逆变器(图 2b)。

图2：(a)北斗系统结构; (b) 单个北斗系统可以替代多个电源开关。

北斗技术的主要特点可概括如下：

· 两个门独立隔离控制，实现多功能操作

· 共享漂移区可阻断两个方向的电压，从而降低材料和制造复杂性

· 集成衬底电压控制电路，动态地将衬底连接到最低电位的源极，简化设计并消除外部衬底电路

这种集成确保了软开关和硬开关场景中近乎理想的性能，解决了 GaN 技术的传统挑战。其结果是一个高度可靠且用户友好的解决方案，不需要系统设计人员付出额外的努力。

GaN的横向结构

GaN 器件的横向结构对于实现真正的四象限开关操作至关重要，四象限开关操作是指开关在两种极性下传导电流和阻断电压的能力。此功能对于高级电源转换系统中的双向功率流至关重要。

在硅 IGBT 和碳化硅 MOSFET 等垂直器件中，电流垂直流过衬底。阻断电压能力是单向的，因为电流路径和电场分布针对一种极性进行了优化。双向操作需要额外的组件(例如反并联二极管)，从而增加了复杂性和损耗。

在横向功率器件(例如 GaN HEMT)中，电流横向流动(平行于衬底表面)，并且可以将器件设计为允许双向电流流动。 GaN HEMT 的一个关键优势是在 GaN 和 AlGaN 层的界面处形成高迁移率 2DEG 沟道。该通道具有高导电性，并以非常低的电阻支持横向电流。

解决基材挑战

GaN 单向开关(例如 CoolGaN、CoolMOS 和 CoolSiC 产品系列中的开关)使用基板作为开关器件的源极端子(图 3a)。然而，对于单片 BDS，会出现一个问题，因为浮动基板与两个源 S1 和 S2 不一致(见图 3b)。

这个问题必须得到解决，因为浮动衬底可能导致衬底电势不受控制，并由于背栅效应而降低 2DEG 中的电子浓度。英飞凌的 CoolGaN BDS 通过将衬底电压控制电路直接集成到同一芯片上解决了这个问题(图 3c)。该电路动态地将基板连接到具有最低电势的源。

图3：(a)单向开关; (b) 具有浮动基板的整体北斗系统; (c) 英飞凌的 CoolGaN BDS 解决方案

使用 GaN BDS 进行单级转换的一些优点包括：

· 减少元件数量：通过将 PFC 和 DC/DC 转换功能合并到一个级中，需要的元件更少，从而降低了制造和装配成本。

· 简化设计：英飞凌的 GaN BDS 凭借集成基板控制和紧凑设计，最大限度地降低了设计复杂性，从而加快了开发周期。

· 更高的效率：CoolGaN BDS 实现了近乎理想的开关行为，提高了高功率应用的整体效率。

· 紧凑、轻便：消除直流链路并减少组件数量，实现更小、更轻的设计，非常适合空间受限的应用。

· 双向功率流：支持双向功率传输对于现代并网系统和可再生能源应用至关重要。

目标应用程序和性能指标

CoolGaN BDS 产品系列包括三种器件，全部具有 650V 额定电压、TO 引线顶侧冷却封装和不同的导通电阻值(110 mΩ 典型值、55 mΩ 典型值和 35 mΩ 典型值)。

英飞凌的 CoolGaN BDS 针对储能系统、电动汽车充电器和高性能工业转换器等应用。凭借其单片设计，BDS 具有出色的热性能、低传导损耗和各种额定功率的可扩展性。典型的软开关和硬开关波形如图 4 所示。

图 4：软开关和硬开关期间的典型波形

文中提出的单级隔离电源转换拓扑(无论是谐振还是非谐振)都需要额定电压为 900 至 1,200 V 的开关器件。其他拓扑，例如三相 DAB 型 PFC 和三相固定频率谐振环路转换器，仅需要 650V 额定开关，并且可以使用 BDS 器件来实现。