前不久，納微半導(dǎo)體剛剛發(fā)布全球首款量產(chǎn)級(jí)的650V雙向GaNFast氮化鎵功率芯片。

在這款幾乎“理想”的雙向開關(guān)誕生之前，“兩級(jí)”變換幾乎成為了高壓功率應(yīng)用的既定法則：先PFC后DC-DC，還要依賴龐大的 “直流鏈路” 電容器。電路設(shè)計(jì)師只能忍受體積龐大、損耗高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本高昂的電路系統(tǒng)。

而現(xiàn)在，納微的雙向氮化鎵開關(guān)，能夠輕松實(shí)現(xiàn)雙向的電壓阻斷和雙向的電流導(dǎo)通，搭配獨(dú)家的IsoFast高速隔離驅(qū)動(dòng)器，將兩級(jí)拓?fù)湔蠟楦咚佟⒏咝У膯渭?jí)，同時(shí)省去了龐大的電容與輸入電感，打造了電力電子的新范式。

01什么是雙向氮化鎵開關(guān)？

雙向GaNFast氮化鎵功率芯片功效上 = 兩個(gè)“背靠背”連接的氮化鎵功率開關(guān)。

但其物理結(jié)構(gòu)實(shí)為尖端的單芯片設(shè)計(jì)（單片集成），通過合并漏極結(jié)構(gòu)、雙柵極控制及集成受專利保護(hù)的有源基板鉗位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)雙向開關(guān)的突破。

02高度集成，一顆更比四顆強(qiáng)

得益于高度集成和雙向特性，1顆高速、高效的雙向GaNFast氮化鎵功率芯片可替代最多4顆傳統(tǒng)硅基芯片，提高系統(tǒng)性能的同時(shí)減少外部元件的數(shù)量、PCB占位面積和系統(tǒng)成本 。

這意味著：

更高的系統(tǒng)效率

MHz級(jí)的轉(zhuǎn)換頻率

可靠性提升

簡化電路設(shè)計(jì)

減少無源器件成本

減少PCB面積

03單極拓?fù)?— 電力電子的終極方案

目前，超過70%的高壓功率變換器采用雙級(jí)拓?fù)洌?a target="_blank">AC-DC變換器需先經(jīng)PFC級(jí)，再經(jīng)DC-DC級(jí)，并依賴笨重的直流母線電容緩沖，復(fù)雜的架構(gòu)導(dǎo)致此類系統(tǒng)體積龐大、能效低下且成本高昂。

雙向GaNFast氮化鎵技術(shù)將兩級(jí)整合為單級(jí)高頻高效架構(gòu)，徹底消除母線電容與輸入電感，成為電力電子的終極解決方案。

04單級(jí)轉(zhuǎn)換器典型應(yīng)用案例

雙向GaNFast氮化鎵開關(guān)通過將交流輸入電壓直接轉(zhuǎn)換為校正和受控的交流或直流輸出電壓，推動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)升級(jí)。目標(biāo)市場涵蓋電動(dòng)汽車充電（車載充電機(jī)OBC及充電樁）、光伏逆變器、儲(chǔ)能系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

05關(guān)鍵的“有源基板鉗位技術(shù)”

雙向氮化鎵器件需處理雙向電壓，因此需獨(dú)立柵極根據(jù)極性控制電流方向。為此，納微在硅襯底上生長 GaN/Al GaN外延層，形成2DEG導(dǎo)電溝道，器件結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)功率端子與兩個(gè)柵極。

然而，若僅采用該結(jié)構(gòu)，硅襯底因與源極端子不相連而處于浮置狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致襯底電位累積，并通過“背柵效應(yīng)”降低2DEG濃度，影響性能。

納微半導(dǎo)體專利的單片集成有源基板鉗位技術(shù)，可自動(dòng)將基板連接至電勢最低的源極端，消除”背柵效應(yīng)”，從而避免因基板電位失控導(dǎo)致的導(dǎo)通電阻。

自動(dòng)檢測并連接對(duì)應(yīng)源極至基板，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能、效率及可靠性

RSS(ON)低3倍， 溫升低15℃

06最佳輔助 - IsoFast高速驅(qū)動(dòng)器

盡管雙向氮化鎵開關(guān)很強(qiáng)大，然而雙向的能量控制無法僅靠一顆功率器件完成，還需要一個(gè)專用驅(qū)動(dòng)器來控制其兩個(gè)柵極，這兩個(gè)柵極必須能夠處理高瞬態(tài)條件、極高電壓隔離，并確保出色的信號(hào)完整性。在這種情況下，該器件能夠在超過5kV的電壓下工作，并可處理高達(dá)200V/ns的極端瞬變。

為此，納微半導(dǎo)體開發(fā)了專為氮化鎵/碳化硅器件的隔離與驅(qū)動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的IsoFast雙通道數(shù)字隔離型氮化鎵驅(qū)動(dòng)器。其瞬態(tài)抗擾度較現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器提升4倍（最高達(dá)200V/ns），且無需外部負(fù)壓供電，可在高壓系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)可靠、快速、精準(zhǔn)的功率控制。

07真實(shí)案例：太陽能微逆

紙上得來終覺淺，通過對(duì)比，我們能夠更好地了解雙向氮化鎵開關(guān)打造的單級(jí)變換的顯著優(yōu)點(diǎn)。

下圖是一個(gè)采用兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)400W太陽能微型逆變器，其作用是將太陽能電池板的能量傳輸至儲(chǔ)能設(shè)備或電網(wǎng)。

能量首先經(jīng)過DC-DC升壓變壓器，隨后通過400VDC母線將400V直流電轉(zhuǎn)換為交流電以并入電網(wǎng)。這種設(shè)計(jì)需要磁性元件、大容量電容以及多個(gè)開關(guān)元件。

接下來我們再來看看采用雙向氮化鎵開關(guān)的應(yīng)用，下圖展示了一家領(lǐng)先的太陽能微型逆變器制造商正在采用的單級(jí)雙向氮化鎵開關(guān)方案。

該設(shè)計(jì)在顯著更小的外形尺寸下實(shí)現(xiàn)了更強(qiáng)的功率輸出（500W），省去了一個(gè)磁性元件，并減少了元件數(shù)量。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將系統(tǒng)效率從96%提升至97.5%，同時(shí)將發(fā)電成本降低30%，從0.10美元/W降至0.07美元/W。

08雙向氮化鎵開關(guān)產(chǎn)品組合