使用雙向 GaN 開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)單級(jí)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(xiàng)非凡創(chuàng)新，特別是在實(shí)現(xiàn)單級(jí)功率轉(zhuǎn)換方面。這些 BDS 有助于開(kāi)發(fā)具有更少組件、更低成本和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換器，與傳統(tǒng)兩級(jí)方法相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。

傳統(tǒng)兩級(jí)與單級(jí)轉(zhuǎn)換

在傳統(tǒng)的兩級(jí)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(kāi)處理的，需要多個(gè)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(shí)現(xiàn)的向單級(jí)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(chǔ)能系統(tǒng)和電動(dòng)汽車(chē)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(jí)電源轉(zhuǎn)換器。傳統(tǒng)方法需要一個(gè)中間直流母線(xiàn)電容器作為 PFC 級(jí)的輸出濾波器，吸收開(kāi)關(guān)電流并最大限度地降低紋波電壓。

單片 GaN BDS 有何獨(dú)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(shì)，實(shí)現(xiàn)真正的四象限開(kāi)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(guò)集成兩個(gè)隔離柵極的單片結(jié)構(gòu)(圖 2a)實(shí)現(xiàn)雙向性。這種配置允許通過(guò)獨(dú)立控制每個(gè)柵極的開(kāi)/關(guān)狀態(tài)來(lái)在兩個(gè)方向傳導(dǎo)電流。

兩個(gè)柵極共享一個(gè)漂移區(qū)，這意味著無(wú)論電流方向如何，它都可以阻止電壓。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，因?yàn)橐粋€(gè) BDS 可以取代需要雙向電流的電路中的多個(gè)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(gè)北斗系統(tǒng)可以替代多個(gè)電源開(kāi)關(guān)。

北斗技術(shù)的主要特點(diǎn)可概括如下：

· 兩個(gè)門(mén)獨(dú)立隔離控制，實(shí)現(xiàn)多功能操作

· 共享漂移區(qū)可阻斷兩個(gè)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(dòng)態(tài)地將襯底連接到最低電位的源極，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并消除外部襯底電路

這種集成確保了軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)場(chǎng)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(gè)高度可靠且用戶(hù)友好的解決方案，不需要系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(duì)于實(shí)現(xiàn)真正的四象限開(kāi)關(guān)操作至關(guān)重要，四象限開(kāi)關(guān)操作是指開(kāi)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(duì)于高級(jí)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(guò)襯底。阻斷電壓能力是單向的，因?yàn)殡娏髀窂胶碗妶?chǎng)分布針對(duì)一種極性進(jìn)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(dòng)(平行于襯底表面)，并且可以將器件設(shè)計(jì)為允許雙向電流流動(dòng)。 GaN HEMT 的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)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(kāi)關(guān)(例如 CoolGaN、CoolMOS 和 CoolSiC 產(chǎn)品系列中的開(kāi)關(guān))使用基板作為開(kāi)關(guān)器件的源極端子(圖 3a)。然而，對(duì)于單片 BDS，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)楦?dòng)基板與兩個(gè)源 S1 和 S2 不一致(見(jiàn)圖 3b)。

這個(gè)問(wèn)題必須得到解決，因?yàn)楦?dòng)襯底可能導(dǎo)致襯底電勢(shì)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(guò)將襯底電壓控制電路直接集成到同一芯片上解決了這個(gè)問(wèn)題(圖 3c)。該電路動(dòng)態(tài)地將基板連接到具有最低電勢(shì)的源。

圖3：(a)單向開(kāi)關(guān); (b) 具有浮動(dòng)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(jìn)行單級(jí)轉(zhuǎn)換的一些優(yōu)點(diǎn)包括：

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

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

· 更高的效率：CoolGaN BDS 實(shí)現(xiàn)了近乎理想的開(kāi)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(shí)現(xiàn)更小、更輕的設(shè)計(jì)，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(duì)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(biāo)應(yīng)用程序和性能指標(biāo)

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(xiàn)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(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)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(jì)，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(kuò)展性。典型的軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)波形如圖 4 所示。

圖 4：軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)期間的典型波形

文中提出的單級(jí)隔離電源轉(zhuǎn)換拓?fù)?無(wú)論是諧振還是非諧振)都需要額定電壓為 900 至 1,200 V 的開(kāi)關(guān)器件。其他拓?fù)?，例如三?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(kāi)關(guān)，并且可以使用 BDS 器件來(lái)實(shí)現(xiàn)。