现代电源转换系统要求不断提高的效率、更高的能量密度和无缝的可扩展性——所有这些都与双向功率流密不可分。以车辆到家庭(V2H)应用中的电动汽车(EV)车载充电器(OBC)为例。

在这种配置中，当电动汽车电池充电时，功率从电网流向 OBC。反之，当车辆闲置时，功率可以反向流动，为家用电器供电或在高峰需求期间平衡电网。其他应用——包括光伏(PV)微型逆变器和人工智能数据中心电源——也利用这种双向功率流。

氮化镓(GaN)技术的最新进展使得设计集成式双向开关(BDS)成为可能，无需采用笨重、分立的解决方案，例如共源极硅功率 mosfet 对。

在这种背景下，长期以来一直是学术界研究课题的双向开关器件，如今正作为实用的构建模块出现在电源设计人员的工具包中。

双向开关

双向开关本质上是一种能够在电流-电压平面的所有四个象限中工作的功率器件(图 1)。

图1

这一特性将双向开关与仅在一个象限工作的二极管或在两个象限导通但仅在一个象限阻断电压的 MOSFET 区分开来。

在图中，绿线表示 BDS 的导通状态，它可以双向承载电流。显然，对于实际开关而言，该线的斜率代表器件导通电阻的倒数。

沿电压轴的红线表示阻断能力。真正的 BDS 必须能够承受其两端较大的正电压和负电压，同时电流(泄漏)为零。

四个象限

在第一和第三象限，功率开关消耗功率，因此充当负载或电阻，承载相同极性的电流和电压。

在第二和第四象限，器件处理极性相反的电流和电压。这对于电动汽车中的再生制动等应用至关重要，在这些应用中，能量从电机传递回电源(电池)。

从分立到集成解决方案

直到最近，实现这些特性需要两个背对背(B2B)晶体管——MOSFET 或 IGBT——或两个二极管。现代 BDS 可以在单个器件结构中实现。元件数量的减少带来了更低的导通损耗(I²R)、更低的寄生参数(如杂散电感和电容)，从而实现更快的开关速度以及更小的电感和变压器。

B2B 配置中的串联连接需要隔离式栅极驱动器或电平转换架构。它还可能使 PCB 布局更加复杂，增加的寄生电感会影响开关操作并导致 EMI 问题。

D 模式 GaN 双向开关

GaN 技术是高效率电源转换器的理想选择，因为它具有宽带隙，能够实现高临界电场、高电子迁移率和快速开关能力。

如今的 GaN FET 既有增强模式(E 模式)——具有内置的常关操作，需要简单但特定的栅极驱动——也有耗尽模式(D 模式)。后者在与硅 MOSFET 组成共源共栅(Cascode)配置时提供常关行为。在这些结构中，低压 MOSFET 通过标准的栅极控制确保常关操作，而 GaN FET 执行高压快速开关。

瑞萨电子公司利用其专有技术，推出了 TP65B110HRU(650V，110 mΩ)，这是一种采用 D 模式 GaN 芯片实现的新型 BDS，带有两个低压 MOSFET，封装在顶面冷却的 TOLT 封装中 [1]。其基本的横向 GaN 结构——具有单个通道和两个对称的控制栅极——确保了双向功能;通过正确施加开和关信号，该器件可以双向阻断电压和导通电流。

此外，硅 MOSFET 的栅极可以使用标准栅极驱动器来驱动。瑞萨该器件的框图和引脚排列如图 2 所示。

图2

瑞萨 BDS 的工作模式

如图 2 所示，当 G1 和 G2 均导通时，器件通道双向导通电流，从而实现最低的导通电阻并最小化导通损耗。

激活 G1 或 G2 中的任何一个允许单向导通，同时保持反向电压阻断能力。在死区时间内，这种模式为电感电流提供续流路径，从而防止桥臂中的共通导通。

当 G1 和 G2 均关断时，与 D 模式 GaN 器件组成的共源共栅配置将 GaN 栅极相对于公共源极/漏极拉为负电位，使整个器件保持在关断状态，并双向阻断电流。任一方向都没有续流路径。这种模式在高压无钳位电感开关应用中存在一定风险，可能将器件推至其最大额定值之外。

对电源转换拓扑结构的影响

真正的双向开关对电源转换器设计具有实际影响。一个显著的好处是减少了元件数量，因为两个 B2B MOSFET 可以被一个单个器件替代，从而简化电气和机械布局。同时，这种能力也催生了新的拓扑结构。

其中一个例子是图腾柱功率因数校正(PFC)电路，其中双向开关可以极大地有益于高频支路，该支路通常需要两组 B2B 开关来处理交流波形的正负半周期。这不仅减少了总元件数量，也最大限度地减少了寄生电感。

GaN 典型的零反向恢复电荷(Qrr)特性是有益的，能够实现高频操作，具有最小的开关损耗、更小的磁性元件和更高的体积功率密度。

在三相维也纳整流器中，双向开关进一步降低了电路复杂性。在这种 AC-DC 转换器中，一个连接到每一相的共享中性点有助于平衡和稳定输出电压。单个 GaN BDS 可以处理整个开关周期，而不是依赖二极管和晶体管来引导电流在相线和中性点之间流动。这使元件数量减半，减少了潜在的故障点，使系统更加可靠。

可以说，最引人注目的前景在于单级转换器拓扑结构。通过直接进行 AC-DC 转换——省去了中间的 DC-DC 级和笨重的直流母线电容——双向开关可以减小系统尺寸并延长使用寿命，因为电解电容器并不是电力电子系统中最可靠的元件。

在光伏微型逆变器中，这种方法可以实现更紧凑的设计，减少故障点。在电动汽车车载充电器中，它可以更高效地实现电网与车辆电池之间的双向能量流动。

在兆瓦级数据中心——效率和功率密度至关重要——双向功能允许在高峰需求期间将存储的能量回馈给电网，从而实现能源价格的套利。因此，总体而言，即使是渐进的收益也能带来显著的累计节省。

挑战与未决问题

尽管双向 GaN 开关前景广阔，但仍有几个挑战有待解决。

其中之一是可扩展性。最初的器件——如瑞萨的器件——针对 650V 等级;过渡到 1200V 需要深入的设计调整，以管理电场分布和衬底隔离。随着功率水平的提高，封装和热管理也可能变得更加关键。

生态系统和应用支持是其他关键问题。仿真工具、参考设计和应用说明在开发阶段至关重要。它们的可用性对于决定该技术部署的速度至关重要。

EMI 性能也是一个问题。高 dv/dt 速率可能会加剧 EMI，尤其是在高密度布局中。虽然这是 GaN 器件普遍关注的问题，但集成双向功能可能会增加复杂性。

最后，还有一个微妙的市场接受度问题。设计人员历来对使用 D 模式 GaN 持犹豫态度，因为它具有常开特性，需要负驱动电压。话虽如此，最近的技术改进正在克服这一障碍，因为 D 模式 GaN 仍然提供几个有吸引力的特性，例如更低的 RDS(on)(更高的电子迁移率)、更低的导通损耗和卓越的高频性能(更低的寄生电容)。

未来之路

集成式双向 GaN 开关的引入标志着电力电子领域的一个重要里程碑。通过优化和简化双向开关操作，这类新型器件可以简化转换器拓扑结构，提高效率，并开启新颖的架构。

然而，系统验证、生态系统开发和应用程序部署比单纯的器件创新更为重要。最终，这些因素将决定这种方法成为成熟的解决方案，还是仍然是一个小众——尽管精巧——的选择。

在这一新趋势站稳脚跟之前，双向 GaN 开关应被视为一种额外的工具，而不仅仅是对现有技术的一对一替代。如果双向开关有助于满足电力电子对更高效率、更高密度和更强功能集成的要求，那么它们的使用将会继续扩大。