例如，典型的交流/直流電動汽車車載充電器（OBC）實(shí)施了一個初始的功率因數(shù)校正（PFC）階段和一個后續(xù)的 DC/DC 階段，該階段由笨重的“DC-link”電容器緩沖。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的問題是，由此產(chǎn)生的系統(tǒng)體積大、損耗高、復(fù)雜且昂貴。

今天超過 70%的高壓電源轉(zhuǎn)換器使用兩階段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，先使用 PFC 階段，然后是 DC/DC 階段以提供所需的電壓。圖片來自 Bodo’s Power Systems [PDF]。

雙向電源轉(zhuǎn)換器的歷史簡述

理想的開關(guān)是雙向的，既能雙向阻斷電壓，又能雙向處理電流。它會提供的傳導(dǎo)和動態(tài)損耗，有效地散發(fā)熱量，并具有高功率密度。自 1947 年雙極型晶體管的發(fā)明以來的近 80 年里，電力半導(dǎo)體的發(fā)展已經(jīng)使行業(yè)更接近這一理想狀態(tài)。

門極可關(guān)斷晶閘管（1957 年）能夠處理雙向電壓，但不能處理電流。晶閘管（1958 年）能夠處理電流和電壓，但速度非常慢，只能在 50 或 60 赫茲的頻率下工作，與交流電的頻率一致。金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET，1959 年）可以在十千赫茲甚至 100 千赫茲的頻率下工作。隨后創(chuàng)建了雙向 MOSFET，但這種雙向 MOSFET 功率較低且應(yīng)用有限。硅絕緣柵雙極型晶體管（IGBT，1980 年）隨后出現(xiàn)，提供了更高的功率，但雙向功能仍然是一個挑戰(zhàn)，IGBT 只能處理電流或電壓，但不能在單一設(shè)備中同時處理兩者。

寬禁帶半導(dǎo)體的引入在功率技術(shù)方面取得了顯著進(jìn)步，顯著提高了功率密度；但這些初始設(shè)備仍然缺乏雙向能力。氮化鎵（GaN）的應(yīng)用進(jìn)一步推動了這一進(jìn)程，提供了更高的開關(guān)頻率和高功率，并在同一芯片上集成了控制和保護(hù)功能。然而，它仍然不是雙向的。

然而，在三月，Navitas 推出了行業(yè)首款 650 V 雙向 GaN 功率 IC，使功率轉(zhuǎn)換從兩階段拓?fù)滢D(zhuǎn)變?yōu)閱坞A段拓?fù)洹avitas 的 NV6427 和 NV6428 是雙向 GaN 功率 IC，連續(xù)工作在 650 VSS 下，R SS(ON)typ 為 50 mΩ（I SS 為 49 A），R SS(ON)typ 為 100 mΩ（I SS 為 25 A）。它們具有零反向恢復(fù)電荷，并可工作至 2 MHz。它們采用 TOLT-16L 熱增強(qiáng)頂置散熱封裝。

雙向 GaN 功率開關(guān)

雙向 GaN 功率開關(guān)的出現(xiàn)將兩個階段合并為一個高速、高效率的階段，并在此過程中消除了笨重的電容器和輸入電感。它能夠雙向處理電流和電壓，并以非常高的頻率切換，這意味著它非常適合單階段轉(zhuǎn)換器。

圖 2. 雙向氮化鎵開關(guān)在硅襯底上使用氮化鎵/鋁氮化鎵結(jié)構(gòu)來創(chuàng)建具有兩個功率端子和兩個柵極的二維電子氣（2DEG）導(dǎo)電通道。圖片來源于 Bodo’s Power Systems [PDF]

雙向 GaN 必須在兩個方向上處理電壓，因此需要單獨(dú)的柵極來控制電流流動，這取決于極性。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，GaN/AlGaN 外延堆棧生長在硅基板上以形成 2DEG 導(dǎo)電通道。處理后的器件結(jié)構(gòu)具有兩個功率端子和兩個柵極。僅實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)會存在問題，因?yàn)楣杌迮c源端子不相關(guān)，因此會漂浮，導(dǎo)致基板電位積聚，并由于這種“背面柵極”效應(yīng)降低 2DEG 濃度。

Navitas 是個開發(fā)并發(fā)布主動基板夾緊技術(shù)的公司，該技術(shù)可以自主驅(qū)動硅基板到電位的源。這使得雙向開關(guān)（BDS）能夠在沒有電阻變化的情況下穩(wěn)定運(yùn)行，并在許多應(yīng)用中比未夾緊的解決方案冷卻 15 °C。這種改進(jìn)可以在圖 4 中看到，其中包含電流（綠色三角波形）和開關(guān)上的電壓：夾緊（粉紅色曲線）和未夾緊（白色曲線）。在這里，我們看到適當(dāng)?shù)膴A緊可以消除任何增加，提高效率并使操作更加平穩(wěn)。

圖 3. 該設(shè)備會自動檢測并連接替代電源到基板。圖片來自 Bodo’s Power Systems 

圖 4. 開關(guān)上的箝位（粉紅色）/未箝位（白色）電壓和電流（綠色）- 箝位電壓未顯示降低效率的電壓尖峰。圖片 courtesy 于 Bodo’s Power Systems [PDF]

 還應(yīng)注意，雙向 GaN 還需要專用驅(qū)動器來控制其兩個柵極，該驅(qū)動器必須能夠處理高瞬態(tài)條件、非常高的電壓隔離，并確保信號完整性。在這種情況下，該設(shè)備能夠在超過 5 kV 的條件下運(yùn)行，并處理高達(dá) 200 V/ns 的極端瞬態(tài)。

因此，為了配合雙向 GaN，已經(jīng)開發(fā)了 IsoFast 驅(qū)動器，這是一種高速隔離 GaN 驅(qū)動器，特別針對此開關(guān)進(jìn)行了優(yōu)化，可在超過 1 MHz 的頻率下運(yùn)行，同時處理 5 kV 的電壓，保持高速信號的完整性。此外，不需要負(fù)驅(qū)動來關(guān)斷該設(shè)備，從而降低成本和復(fù)雜性。

圖 5. 新的單級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過雙向 GaN 消除了 PFC 級和 DC-鏈接電容器，同時實(shí)現(xiàn)了超高的頻率。這意味著密度、尺寸和重量分別提高了 30%，并額外實(shí)現(xiàn)了 10%的能量節(jié)省和系統(tǒng)解決方案高達(dá) 10%的成本節(jié)省。圖片來自 Bodo’s Power Systems [PDF]

單級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢

正如我們開頭所說，絕大多數(shù)功率轉(zhuǎn)換器使用兩階段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)速度較慢且效率較低，導(dǎo)致體積龐大的功率轉(zhuǎn)換器，其損耗遠(yuǎn)非理想。作為行業(yè)，我們在硅碳（SiC）和 GaN 的引入下取得了巨大的進(jìn)步，特別是在提高這些兩階段轉(zhuǎn)換器的效率、功率密度和開關(guān)速度方面。但我們正在接近這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的極限，即使使用寬帶隙材料也是如此。

單級 BDS 轉(zhuǎn)換器的創(chuàng)建不僅消除了 PFC 階段，還消除了電解電容器和 DC 鏈電容器。此外，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)本質(zhì)上是軟開關(guān)，這使得可以利用高頻優(yōu)勢，同時顯著縮小了被動元件的尺寸。因此，這帶來了 30%的功率密度提升，10%的能源節(jié)約，以及 10%的成本降低。然而，更為重要的是，能夠提供雙向能量流動的能力，這對于允許可再生能源、交流電源電網(wǎng)、能源存儲（包括電動汽車車載充電器）高效交換電力至關(guān)重要。

實(shí)際：太陽能微型逆變器

脫離理論值，讓我們看看傳統(tǒng)的 400W 太陽能微型逆變器，它采用兩階段拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從太陽能電池板傳輸?shù)絻δ芑螂娋W(wǎng)。這使用了一個 DC/DC 升壓變壓器，接著是一個 400V DC 母線，然后將 400V DC 轉(zhuǎn)換為交流電以饋入電網(wǎng)。如圖 6 和 7 所示，這種設(shè)計(jì)需要磁性組件，以及大量的電容器和多個開關(guān)組件。

圖 6. 基于環(huán)形變換器的 500W 太陽能微型逆變器。圖片來自 Bodo’s Power Systems [PDF]

圖 7 顯示了一家的太陽能微型逆變器制造商正在實(shí)施的單階段 BDS。對于這種設(shè)計(jì)，它提供了一個更強(qiáng)大的設(shè)計(jì)（500W），并且在更小的體積中實(shí)現(xiàn)，消除了一個磁性組件，并減少了組件數(shù)量。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將系統(tǒng)效率從 96%提高到 97.5%，并降低了 30%的發(fā)電成本，從每瓦 0.10 美元降至每瓦 0.07 美元。

圖 7. 基于循環(huán)轉(zhuǎn)換器拓?fù)涞?500 W 太陽能微逆變器（圖 6 中的電路圖），與傳統(tǒng)的 400 W 兩階段解決方案（左側(cè)）相比，單階段 BDS 轉(zhuǎn)換器解決方案展示了尺寸、組件數(shù)量和復(fù)雜性的減少（右側(cè)）。圖片來自 Bodo’s Power Systems [PDF]