自20世纪80年代以来，双向开关(BDS)的概念便已存在，它催生了矩阵变换器、电流源逆变器(CSI)和单级AC-DC变换器等拓扑结构。然而，由于其在商业上难以获得，这一讨论仅限于学术研究。不过，情况似乎正在发生转变，目前已有数款商用氮化镓(GaN)双向开关面世，且更多产品即将问世。

然而，一些电力电子工程师似乎认为，拥有硬件只是开始;更难的问题在于，整个生态系统——包括栅极驱动器、控制器、参考设计以及工程文化——能否足够快地跟上步伐，在五年内将这个市场发展为十亿美元的规模。这正是APEC 2026 BDS辩论会的前提："双向器件：新兴的双向器件能否被广泛采用?"

APEC 2026上的BDS：五年内成为十亿美元市场?

辩论会伊始，西蒙菲莎大学的John Shen主持人引用了威斯康星大学麦迪逊分校的Thomas Jahns教授的观点。Jahns教授表示，今年很可能"是实用商用双向设备问世的元年"。

就在前一天，Jahns与PowerAmerica的总监兼首席技术官Victor Veliadis、瑞士联邦理工学院的教授Johann Kolar共同在一个关于BDS的研讨会上发表了演讲。幸运的是，我设法赶上了研讨会的尾声，听到了Kolar演讲的结尾和Jahns演讲的全部内容。对我来说幸运的是，Jahns用通俗易懂的语言进行了讲解。

目前已有数款单片式双向开关(MBDS)投入生产，包括英飞凌的650V CoolGaN BDS、纳微半导体的650V双向GaNFast、英诺赛科的30-120V VGaN、Ideal Power的1200V IGBT B-TRAN、瑞萨/Transphorm的650V GaN四象限开关(FQS)，以及最新的瑞萨650V SuperGaN器件(图1)。意法半导体和德州仪器均在今年的APEC上展示了其预生产的GaN BDS解决方案，它们正处于JEDEC认证测试的最后阶段。

图1

什么是双向开关(BDS)?

最近对英飞凌科技GaN业务线负责人Johannes Schoiswohl的一次采访很好地总结了BDS："这真的是一个完美的半导体开关：它在两个方向上都能阻断电压，并且拥有两个栅极，你可以非常精确地控制每个通道。你现在实现了一种标准单向开关永远无法实现的功能。"这些器件本身有两个栅极，这使得它们能够控制两种极性的电压和两个方向的电流，这非常适用于一系列拓扑结构(图2)。

图2

这也意味着控制方式将大相径庭——不再是传统的开和关两种状态，而是有四种不同的状态：开通(两个栅极均开通)、关断(两个栅极均关断)、正向二极管(栅极1开通，栅极2关断，电流方向：漏极到源极)和反向二极管(栅极2开通，栅极1关断，电流方向：源极到漏极)。这意味着这些器件的控制必须与传统方法显著不同，例如，在电流源逆变器中使用四步换流序列以实现安全换流，防止直流母线电感过压和直流母线电容过流。

此外，还有两种BDS配置：共漏极和共源极。在共源极拓扑中，两个栅极共享一个局部地，这允许使用单个栅极驱动器;然而，这种拓扑具有更高的导通电阻RDS(on)。在共漏极配置中，器件共享一个漏极，需要两个栅极驱动器，但它们的RDS(on)更低，从而可能实现更优雅的解决方案。共漏极配置是目前最流行的。

拓扑结构

BDS特别适用于需要双向传导的拓扑结构，例如矩阵变换器和周波变换器，在這些拓扑中，它可以用一个单片式器件取代背对背分立开关 arrangement。迄今为止最明确的商业验证是英飞凌的BDS在Enphase IQ8(应为IQ9)微型逆变器中的应用。据Enphase的电力电子架构师Michael Harrison介绍，该设计使用了一个双有源桥串联谐振变换器——这是一种用于DC-AC或AC-DC转换的单级拓扑结构，所有换流都是软开关，能产生非常干净的EMI特性，无需屏蔽或金属外壳。

Jahn的研讨会涵盖了一些可能受益于BDS的候选电机驱动器，包括矩阵变换器、多电平变换器(例如T型)和CSI。例如，对于三相矩阵变换器，BDS可以将解决方案从18个分立式双向开关减少到9个BDS。

Jahn特别关注了使用CSI拓扑相对于电压源逆变器拓扑的优势：移除了所需的大型直流母线电容，消除了会损坏轴承和破坏绕组完整性高dv/dt，并包含一个集成的LC滤波器，该滤波器能产生平滑的低THD波形，并提供"有吸引力的滚降特性"。

"我们生活在一个由VSI主导的世界里，"Jahns承认。但随着商用BDS成为现实，他显然对像CSI这样因缺乏合适器件而长期被边缘化的拓扑结构终于触手可及感到乐观。

BDS辩论会中的精彩时刻

普遍的共识是，如果没有配套的生态系统，任何新技术的采用都是缓慢的。BDS尤其需要不同的控制方案，而不同供应商提供"不同风味"的BDS这一事实可能会进一步阻碍其发展。

例如，英飞凌采用栅极注入晶体管技术，其栅极驱动需要一个小型、独立的高频变压器为两个栅极电路提供电压，以及一个电阻电路将电压分压成两个不同的电源电压，分别馈入两个栅极。而纳微半导体则对每个栅极使用商用的隔离式DC/DC转换器，而不是定制变压器，并为两个栅极分别采用电阻-二极管配置。

显然，这种多样性可能难以适应，可能会减缓采用速度。然而，辩论会上的许多小组成员一致认为，尽管存在这些控制上的特性，但这并未超出工程师快速吸收所需知识的能力范围，只需稍微改变设计理念，就能看到采用这项新兴技术的好处，而不是为了避免"给我们的经理惹麻烦"。

Enphase的Harrison提出了一些值得注意的观点，直面回答了热/可靠性和成本问题。据他介绍，Enphase在考虑采用BDS技术之前，要求至少有两家可行的公司可供选择。他提到公司已完全淘汰了Si SJ器件，并表示如今GaN BDS技术的成本点实际上低于SJ FET，且"可靠性已得到证明更高"。

该公司还致力于确保GaN BDS采用标准封装，并正在标准化GaN BDS的逻辑电平和电源输入，"所以器件内部是什么并不重要——我们有一个标准化的接口"。事实上，Enphase开发了一种通用栅极驱动电路，通过在标准化布局中加载略微不同的元件值，实现了为不同器件提供优化栅极驱动。

尽管GaN BDS的RDS(on)更低，但用单个封装替换多达四个单向开关时，确实会出现热问题。Harrison指出，通常情况下，当RDS(on)降低时，栅极电荷会增加，这会降低导通损耗但增加栅极损耗。100 mΩ的Si SJ器件就是这种情况，据Harrison称，Enphase之前使用的正是这种器件。然而，对于GaN BDS，栅极电荷也显著下降，甚至比单向GaN下降得更多。"所以，我们有了更强的能力来实际管理热问题，"Harrison说。

观众席中的一位英飞凌工程师也指出，热问题仅发生在"目标过于 ambitious 时"。事实上，英飞凌为某些最高功率系统推荐的典型比例似乎是1:2而不是1:4，并配合液冷以保持较低的结温。

BDS半导体

尽管大部分讨论很自然地集中在GaN MBDS上，但辩论会和研讨会都没有将范围仅限于GaN，而是涵盖了硅甚至碳化硅的BDS和B2B配置。

硅

一些人认为，如果BDS在硅领域能像在GaN领域那样受欢迎，那么其采用速度实际上可能会加快。Veliadis也插话指出，由于晶圆缺陷，目前GaN和SIC的电流输出能力还无法接近硅芯片。硅的技术成熟度使得制造商能够以不错的良率制造相对较大尺寸的芯片。PowerAmerica的Veliadis开玩笑说："早在2006年，我们做了一个能承受45A电流的SiC器件;唯一的问题是良率甚至不到3%。" 虽然GaN可能启动了BDS市场，但硅确实可以在这一领域占据一席之地，从而可能进一步加速BDS的采用。

氮化镓

PowerAmerica的Veliadis还指出了650V GaN BDS存在的显著"缺口"。这一点至关重要，因为它可能阻止GaN BDS真正触及某些高压应用，例如需要额定电压在3.3 kV及以上的固态断路器。

有趣的是，这是耗尽型(D-mode)BDS可能提供帮助的一个领域。瑞萨电源系统营销高级总监Pietro Scalia评价了瑞萨的新型D-mode BDS："没有一种通用的解决方案。在高功率下，高压D-mode胜出。这就是我们拥有两种技术的原因——在高压和高功率下，我们选择了D-mode [BDS]，因为其RDS(on)的温度特性更优越，因此可靠性更高。"

他认为，对于增强型(E-mode)BDS，p-GaN栅极接触AlGaN层可能是潜在的泄漏源，导致可靠性问题。"如果你在100V下使用E-mode，风险较低，因为热循环测试更容易通过，但许多客户因为担心而开始要求3,000次循环测试。"

然而，D-mode器件通常是常开型，因此它们通常与低压硅mosfet以共源共栅配置配对，以实现开关功能。尽管这可以与传统的驱动器配合使用，但额外的低压硅FET会增加额外成本。Scalia认为，其成本实际上与E-mode相当，因为E-mode需要额外两个光刻步骤来创建p-GaN栅极结构，增加了晶圆级的复杂性和成本。他相信这两种技术是互补的：E-mode用于低压，D-mode用于高压。

无论如何，单向GaN的改进，例如耐用性、雪崩能力、缺陷密度等，将不可避免地转化为GaN BDS的改进。此外，GaN器件的采用直接转化为GaN BDS的采用。

碳化硅

对于高功率密度应用，SiC仍然提供了显著的优势。辩论中指出，采用背对背SiC器件作为一种务实的方法也是有机会的，而不是等待单片式SiC BDS。这是因为低RDS(on)的SiC器件已经可用，随着低RDS(on)的B2B封装SiC日渐成熟，在B2B配置中有效加倍RDS(on)所带来的代价可能是可以接受的。在BDS研讨会上，Johann Kolar教授指出，50 mΩ和25 mΩ的SiC BDS器件已在近期路线图上，但即使是这样，对于最高功率级别可能也需要并联使用。

对于诸如单级固态变压器和固态断路器等中压应用，Wolfspeed的10 kV、305 mΩ、20 A SiC MOSFET可能代表了一个显著的进步，因为单向SiC的改进可以推动B2B配置的发展。此级别的阻断电压需要更厚的外延层，这会增加缺陷几率并降低良率，但Wolfspeed的垂直集成工艺旨在在大规模生产时保持严格的外延控制和一致的器件特性。如图3所示，诸如此类的SiC相关改进有可能大幅减小等效串联连接的3.3 kV SiC和多电平6.5 kV IGBT解决方案的尺寸。

图3

无论使用哪种功率半导体，迭代优化晶圆质量/直径的材料科学和制造改进都将不可避免地推动其各自BDS技术的进步。

未来可期

在辩论开始时，44%的听众同意BDS将在五年内达到十亿美元规模;56%的人更为谨慎。到辩论结束时，这一比例几乎没有变化——45%对55%。但投票数字不一定能体现发展势头，而势头显然正在积聚。目前已有三款GaN BDS器件实现商用，预计年底前至少还有两款将问世——并且有传言称，今年晚些时候将推出900V器件，而1.2kV技术也将在未来几年内成熟。

正如PowerAmerica的Veliadis所说："双向开关的采用速度与GaN器件本身的未来和采用速度密切相关。"可能只需要几个像Enphase这样开拓性的工程师团队，就能同时改变公众舆论和市场。第一个高调的成功案例已经载入史册。未来必将涌现更多。