单器件双向控制，开启无限可能
作者：Dr. Kennith Kin Leong, Lead Principal, Product Definition and Concept Engineer, High-Voltage GaN Bidirectional Switch at Infineon Technologies.
校对：宋清亮英飞凌消费、计算与通讯业务大中华区技术市场总监
电力电子技术在过去几十年间经历了巨大变革，彻底改变了电能生产、传输和消费的方式。在整个能源链中，传统单向开关（UDS）长期作为功率转换系统的核心组件，在众多应用领域实现可靠性能。虽然这些器件也能很好地满足开发更高效电源管理解决方案的行业需求，但其固有局限性始终制约着工程师对更紧凑、高效和经济的功率转换系统的追求。英飞凌氮化镓双向开关的问世，将使这一局面得到彻底改变。
传统方案的局限性
单向开关的固有局限长期困扰着工程师。在需要双向电压阻断的应用场景中，设计人员不得不采用多个分立器件背靠背连接，不仅使得系统复杂度、占板面积和成本都提高，还额外引入了导致开关性能和效率降低的寄生参数。更关键的是，传统三端单相开关器件不具备独立进行双向电流控制的灵活性，限制了其在先进功率转换拓扑中的应用。
对更高功率密度、更高效率和更低系统成本的追求，使得这些挑战变得愈发严峻。对于Vienna整流器、T型变换器和HERIC架构等拓扑，采用分立器件背靠背连接的传统方案，已无法满足持续演进的市场需求。这让开发能够突破这些根本性限制并实现全工况性能提升的创新解决方案成为当务之急。
CoolGaN™双向开关（BDS）系列横空出世
为了应对这些挑战，英飞凌率先推出了一项突破性解决方案：CoolGaN™双向开关（BDS）650V G5系列。这一创新器件系列为功率开关技术带来了一次革命性变化，可为新一代功率转换系统提供前所未有的控制灵活性。与需要多个分立器件背靠背连接的传统方案不同，这是一个能够主动实现双向电压和电流阻断的单片集成式解决方案。
英飞凌CoolGaN™双向开关产品组合覆盖多电压等级需求：650V系列提供TOLT和DSO封装，850V版本即将上市；同时推出最低40V起的低压器件，它们在消费电子领域可用作电池阻断开关。
CoolGaN™ BDS 650V G5采用革命性的共漏双栅结构，并基于英飞凌历经验证的高可靠性栅极注入晶体管（GIT）技术。这一独特架构可通过单一漂移区实现双向电压阻断，较之传统背靠背方案显著缩小了晶圆尺寸。紧凑型集成式设计不仅节省空间，还能降低寄生参数影响，从而实现更快的开关速度和更高的转换效率。
技术创新：四象限工作
高压CoolGaN™ BDS系列的真正不同在于其前所未有的四象限控制能力。与传统三端单向开关不同的是，BDS拥有四个有源端子外加一个衬底端子。这种配置可支持四种工作模式：两种传统导通/关断模式和两种二极管模式，让设计人员拥有了无与伦比的控制灵活性。
在双向关断模式下（开关模式：关断），当双栅极施加零/负偏压时，该器件可双向阻断电压，实现开路。而在双向导通模式下（开关模式：导通），当双栅极激活时，该器件允许电流双向自由流动，此时它的作用类似于导通状态下的标准MOSFET。这两个模式相比传统解决方案已能带来很大优势，而真正的创新却来自于两个额外的二极管模式。
二极管模式——反向阻断（RB）和正向阻断（FB）——可使BDS选择性阻断一个方向的电压，同时允许相反方向的电流流动。在反向阻断模式下，该器件阻断自下而上的电压，但允许电流自上而下流动。而在正向阻断模式下，该器件阻断自上而下的电压，但允许电流自下而上流动。这两个模式对于电压阻断方向已知的软开关操作尤为有益，可确保输出电容安全放电，并实现性能优化。
图1：CoolGaN™ 双向开关650V G5的四种工作模式及十种可能的状态转换，突显其独一无二的能力与灵活性
工程卓越：集成衬底电压控制
在CoolGaN™ BDS设计中，衬底电压控制是个重大技术难题。传统单向开关通常将衬底连接至源极以抑制背栅效应，从而避免二维电子气浓度降低。然而，这种方法并不适用于采用共漏双源结构的双向开关。若让衬底悬空，将导致电位失控及有害的背栅效应。
为了解决这一难题，英飞凌开发了创新的单片集成衬底电压控制电路。该创新方案可动态选择拥有最低电位的源极与衬底连接，无需外部辅助电路即可实现最优性能。这种集成式设计使BDS在软/硬开关模式下均能保持卓越性能，从而灵活适配不同应用场景下的性能和效率优化需求。
性能卓越：特性参数的优化
CoolGaN™ BDS实现了全工况下的性能参数优化。其中，源-源导通电阻（Rss(on)）作为最重要的性能参数之一，直接影响导通损耗和总体效率。静态Rss(on)在25°C至150°C温域内呈现近似倍增特性（图2），凸显出系统设计中温度管理的重要性。与某些在低温范围温度系数呈负值的SiC MOSFET不同，CoolGaN™ BDS即使在-40°C仍保持正温度系数，确保了全温域运行可靠性。
通过调节稳态栅极电流，Rss(on)可实现高达3%的优化，但需权衡栅极电流损耗。此外，增大栅极电流可使饱和电流提升60%以上，有助于在系统设计中实现效率与性能的平衡。
图2：CoolGaN™ BDS在完整工作温度范围内的Rss(on)归一化值
动态源-源导通电阻Rss(on)可反映CoolGaN™ BDS在连续开关期间的实际性能，该参数受阻断电压、开关频率及温度的三重影响。利用改进版自补偿双二极管通态压降测量电路（OVMC），搭建一个升压转换器测试装置：其中，BDS作为低边开关，SiC肖特基二极管作为高边开关并处于连续导通模式（CCM）。
在50kHz和100kHz硬开关频率下，动态Rss(on)与静态值非常接近，仅增加5-7%。更高开关频率会导致动态Rss(on)增大，这是由于测量周期缩短所致。温度对动态Rss(on)也有影响，但CoolGaN™ BDS在典型工况下可保持稳定性能，确保其在终端应用中具有可预测的性能表现。高稳定性凸显出器件设计的鲁棒性，使其特别适用于高开关频率及温度工况恶劣的应用场景。
图3：不同开关频率下CoolGaN™ BDS在完整壳温范围内的动态Rss(on)归一化值
软开关性能更为出色（如图4所示）。在500kHz开关频率下，电压为110V时动态Rss(on)较静态值仅增加约5%；电压为400V时动态Rss(on)较静态值增加约16.5%。这种随交流电网电压变化的特性表明，基于交流电压的全周期平均值进行系统设计优化是切实可行的工程方法。更值得注意的是，当开关频率从100kHz提高至300kHz时，动态Rss(on)归一化值仅增加至1.06，增幅仅为6%（参见图5）。这充分显示了软开关能够有效减小开关频率对开关性能的影响。
图4：500 kHz开关频率下和不同阻断电压下CoolGaN™ BDS在完整壳温范围内的动态Rss(on)归一化值
图5显示了在400 V软开关模式下CoolGaN™ BDS在完整壳温范围内的动态Rss(on)归一化值。在100 kHz开关频率下，动态Rss(on)约为1，接近于静态值；随着开关频率提高，动态Rss(on)略微上升，在300 kHz开关频率下仅增加至1.06。这充分显示了软开关能够有效减小开关频率的影响，帮助提升开关效率。
图5：400 V 输入电压下和不同开关频率下CoolGaN™ BDS在完整壳温范围内的动态Rss(on)归一化值
开关损耗：精确测量
精确测量开关损耗是评估CoolGaN™ BDS等宽禁带器件效率的关键。目前尚无能准确区分BDS开通损耗和关断损耗的方法。虽然软开关损耗极低，但由于衬底电压控制电路相关损耗及输出电容（Coss）滞回损耗的存在，开通损耗仍不可视为零。因此，所有开关损耗均以每周期开关损耗（即开通损耗与关断损耗之和）来表示，单位为微焦耳（μJ）。
利用升压转换器测试装置在连续导通模式（CCM）下进行硬开关损耗测量（图6），从校准热损耗中减去导通损耗。测量显示，在500kHz开关频率下，开关损耗与关断电流及输入电压成正比关系。
图6：500 kHz开关频率下和两个不同输入电压下CoolGaN™ BDS 650 V G5（IGLT65R055B2）的每周期硬开关损耗。
利用半桥配置在三角波电流模式下进行三个电压等级（110 V、240 V和400 V）下的软开关损耗评估（图7）。结果显示，软开关损耗显著低于硬开关。虽然无法分离单个开关事件对应的损耗，但每周期开关损耗总计数据仍有助于设计人员精准预测热管理需求和优化实际应用的效率。
图7：500 kHz开关频率下和三个不同输入电压下CoolGaN™ BDS 650 V G5（IGLT65R055B2）的每周期软开关损耗。
设计考量：双向开关（BDS）与背靠背（B2B）比较
评估CoolGaN™ BDS时，需将其与传统背靠背结构而非单个单向开关进行对比。
较之Si和SiC B2B结构，CoolGaN™ BDS具有更优异的品质因数（FoM），其源-源导通电阻与栅极电荷乘积（Rss(on) ×QG）降低了85%以上。这使其每周期开关损耗大幅降低，因此尤其适用于高开关频率的应用。
图8：不同技术（GaN、Si和SiC）下的双向开关与单向开关B2B配置的FOM对比栅极驱动和电源
CoolGaN™ BDS采用共漏双栅结构，每个栅极均以自身源极为参考电位进行独立控制，且需配置专属的开尔文源极端子作为栅极驱动器的回流路径。该BDS基于GIT技术，每个栅极需要一个RC外部驱动电路来控制导通和稳态栅极电流。
RC外部驱动电路的关键优势在于其能够在关断时自动产生负栅极电压，该特性是所有分立式GaN开关器件的推荐设计。BDS的每个栅极需配备独立的隔离型栅极驱动器及隔离式辅助电源。因为有些节点可以共用一个电源，实际所需的辅助电源总数取决于具体电路拓扑。
栅极驱动
英飞凌提供全面的EiceDRIVER™栅极驱动器IC产品组合，它们拥有不同的隔离等级、电压等级、保护特性、以及封装选项。如表1所示，该IC系列可提供单通道配置。
表1：EiceDRIVER™ 栅极驱动器IC
产品型号 | 隔离类型 | 配置 |
基本 | 单通道 | |
基本 | 双通道 | |
增强 | 双通道 |
这些驱动器IC与CoolGaN™ BDS形成最佳组合，在高性能应用中实现高效率、高鲁棒性和高功率密度。访问www.infineon.com/gatedrivers，获取关于EiceDRIVER™产品系列及相关评估板的更多信息。
隔离式辅助电源
CoolGaN™ BDS的隔离式辅助电源设计可采取不同的方案，每个方案各有优劣。小型隔离式DC/DC模块可简化设计，但成本较高。在电路板上集成脉冲变压器的方案可大幅降低成本。
集成脉冲变压器的方案虽然需要占用更多电路板空间，但能降低隔离式辅助电源的成本，并提供高度灵活性和支持定制化设计。设计人员可将1EDN7512G驱动器IC与脉冲变压器结合，打造出紧凑、高效、满足特定应用需求的隔离式辅助电源。
重大变革与实用价值
CoolGaN™ BDS可在众多应用领域带来革命性改变，其相比传统解决方案具有显著优势。其最直接的用途之一是，能够取代已有系统中的背靠背分立器件。BDS可为Vienna整流器、T型变换器和HERIC架构等应用提供更高效、更经济的集成式解决方案。
更值得关注的是，BDS可在光伏微型逆变器等单级隔离拓扑中实现单级DC/AC变换。单器件实现双向电压阻断，可简化电路设计，减少元件数量，并提高效率。这可帮助设计人员实现更紧凑和经济高效的设计，并加快上市速度，从而在当前瞬息万变的市场环境中占据竞争优势。
单级隔离式AC功率转换系统具有多项重要优势：提高效率（由于变换级减少），减小尺寸，以及降低成本（通过使用高频变压器）。这种系统还能实现更高灵活性，包括电压调节、频率切换、以及自然双向功率流。虽然还须解决开关损耗、EMI、控制复杂性、以及器件应力等挑战，但CoolGaN™ BDS为克服这些障碍、开发新一代功率转换系统奠定了基础。
结论：突破电力电子技术的极限
CoolGaN™ BDS 650 V G5代表着功率开关技术取得的一次重大飞跃，其解决了长期困扰着设计人员的技术挑战，为功率转换系统设计开启了新的可能。由于可通过单器件实现双向阻断和导通能力，BDS可在众多应用场景中帮助减少元件数量，简化设计，并提升性能。
支持四种工作模式结合集成衬底电压控制电路，使得BDS为新一代功率转换系统提供了前所未有的控制灵活性。卓越的性能参数已通过先进测量技术进行精确量化，有助于设计人员精准预测和优化在实际应用中的系统性能表现。
在电力电子行业持续追求更高效率、更高功率密度和更低成本的背景下，CoolGaN™ BDS更加体现了英飞凌对创新和工程卓越的坚定追求。通过挑战传统方案和开发新的颠覆性解决方案，英飞凌不仅解决了当前的设计挑战，也为未来的功率转换系统设计奠定了基础。
对于想要走在电力电子技术前沿的设计人员而言，CoolGaN™ BDS是一个融合了技术创新与实用价值的有吸引力解决方案。无论您是设计光伏逆变器、电源、电机驱动，还是其他功率转换系统，这项革命性技术都能帮助您打造更高效、紧凑和经济的产品，不仅满足当前市场需求，还能应对未来的潜在挑战。
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图9：2025年的CoolGaN™双向开关（BDS）产品系列；标注 * 的型号为在研产品。
