在電動(dòng)汽車、可再生能源發(fā)電、車對(duì)車通信以及儲(chǔ)能等電力應(yīng)用中，雙向開關(guān)特別有用。這些開關(guān)能夠高效地控制雙向能量流動(dòng)，確保在各種工作條件下的可靠和安全運(yùn)行。基于這些技術(shù)的單片雙向開關(guān)實(shí)現(xiàn)了高功率轉(zhuǎn)換效率，并日益被認(rèn)作為功率電子應(yīng)用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

　　雙向電力流動(dòng)

　　在目前由硅器件主導(dǎo)的功率器件市場(chǎng)中，GaN和SIC逐漸增加其市場(chǎng)份額。Power America的執(zhí)行董事兼CTO Victor Veliadis博士說：“GaN和SiC功率器件市場(chǎng)都在迅速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2029年，SiC和GaN的組合將占據(jù)整體功率器件市場(chǎng)的約50%，而硅占據(jù)剩下的50%?！?/p>

　　接下來，我們將看到寬禁帶半導(dǎo)體如何成功地應(yīng)用于雙向電力應(yīng)用。雙向流動(dòng)能夠?qū)崿F(xiàn)多種應(yīng)用，包括：

　　電動(dòng)汽車(車到電網(wǎng)G2V、電網(wǎng)到車V2G、車到家V2H、車到車V2V)

　　使用再生能源和/或儲(chǔ)能組件的分布式和并網(wǎng)電力系統(tǒng)

　　數(shù)據(jù)中心電網(wǎng)服務(wù)(頻率調(diào)節(jié)、需求管理、峰值轉(zhuǎn)移)與雙向UPS

　　固態(tài)斷路器保護(hù)

　　雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器

　　儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電

　　再生電力(剎車、電梯、傳送帶)

　　橫向和縱向配置

　　在900V以上，高功率器件通常采用縱向配置。市場(chǎng)上現(xiàn)有的GaN開關(guān)都是橫向器件，漏極和柵極之間的間距決定了它們的擊穿電壓。如圖1-a所示，間距越大，器件能夠阻擋的電壓越高。

圖1B

　　“這也限制了GaN橫向器件在高電壓方面的應(yīng)用。當(dāng)柵極到漏極的間距變得非常大以適應(yīng)高電壓時(shí)，器件在晶圓上占用的空間開始過大，降低了產(chǎn)量，”Veliadis說。

　　現(xiàn)有或已展示的SiC功率器件采用縱向配置?？v向漂移層的摻雜和厚度決定了器件的擊穿電壓。一個(gè)600V的器件漂移層厚度約為4微米;而將厚度增加到100微米，可以得到一個(gè)12KV評(píng)級(jí)的器件(如圖1-b所示)。在制造高壓器件時(shí)，這是一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)橄鄳?yīng)的器件面積沒有增加。

　　默認(rèn)情況下，GaN功率器件通常是常開型的。然而，對(duì)于某些應(yīng)用，常閉型器件在故障安全操作條件下更受歡迎。如圖2所示，獲得常閉型GaN器件的常見方法是在柵極下方插入一個(gè)P摻雜的GaN層。非常重要的是，橫向GaN器件的制造與硅的大規(guī)模制造兼容。

圖2

　　如何制造GaN雙向開關(guān)

　　“關(guān)于電流流動(dòng)，GaN橫向器件本質(zhì)上是雙向的。無論電流是從源極到漏極還是從漏極到源極，都是一樣的，因?yàn)闆]有涉及體二極管。然而，這種配置的阻斷是單向的，因?yàn)樗蓶艠O到漏極的間距決定，”Veliadis說。

　　使器件在阻擋方面雙向的一種方法是使柵極到漏極的間距等于源極到柵極的間距。這樣，無論高電壓來自源極還是漏極，你都可以從任一側(cè)保持相同的電壓，因?yàn)槟愕脑礃O-柵極和柵極-漏極的間距是相同的。缺點(diǎn)是器件的單元間距增加了。

　　解決這一問題并保持單元間距最小的一種有趣方法是如圖3所示的雙柵結(jié)構(gòu)。當(dāng)高電壓從源極二進(jìn)入時(shí)，使用柵極一，并且公共漏極區(qū)域阻擋高電壓，保持源極到柵極的間距較小。同樣，如果高電壓從源極一進(jìn)入，柵極二將控制器件。

　　“雙柵雙向開關(guān)利用公共漏極區(qū)域，使器件的單元間距盡可能小，”Veliadis說。

　　松下公司展示了這一概念，使用一個(gè)常閉雙柵單片GaN雙向開關(guān)實(shí)現(xiàn)了對(duì)稱的100A導(dǎo)電和1,100V阻斷電壓。

圖3

　　如何制造SiC雙向開關(guān)

　　SiC功率晶體管，無論是平面MOSFET、溝槽MOSFET還是JFET，主要是縱向配置，并且具有一個(gè)內(nèi)部二極管，設(shè)置了對(duì)稱雙向電流流動(dòng)的條件。盡管對(duì)稱雙向流動(dòng)是可能的，但在雙向電壓方面阻斷縱向器件成為一個(gè)問題。

　　一種可能的解決方案是如圖4-a所示，在共源極配置中背靠背連接兩個(gè)器件。這種配置允許你使用單個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器控制雙向阻斷和導(dǎo)電。或者，你可以如圖4-b所示，在共漏極配置中連接器件。在這種情況下，需要兩個(gè)獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)器。你可以有一個(gè)具有公共漂移層的單個(gè)器件，如圖4-c所示。

圖4a

圖4b

　　“共源極連接配置可以單片實(shí)現(xiàn)，意味著兩個(gè)芯片在同一晶圓上背靠背連接。這種解決方案簡(jiǎn)化了封裝，并有助于減少在寬禁帶器件中至關(guān)重要的電感，”Veliadis說。

　　另一種方法是將兩個(gè)SiC MOSFET在共漏極配置中連接，獲得一個(gè)由兩個(gè)不同柵極控制電流流動(dòng)的四端開關(guān)。

　　共源逆變器應(yīng)用

　　由傳統(tǒng)硅開關(guān)(MOSFET、IGBT和二極管)構(gòu)建的電壓源逆變器(VSI)拓?fù)?如圖5所示)有一些局限性。電容器往往相當(dāng)脆弱且在溫度上有限。此外，高dV/dt會(huì)對(duì)電機(jī)絕緣造成壓力，導(dǎo)致電磁干擾(EMI)噪聲中的共?，F(xiàn)象。

圖5

　　共源極配置(CSI)使用一個(gè)電感，一個(gè)非常堅(jiān)固的組件，可以耐受高溫。圖5顯示，CSI配置實(shí)現(xiàn)了非常低的諧波失真，減少了共模EMI和軸承電流。

　　寬禁帶單片雙向開關(guān)使共源逆變器能夠克服VSI拓?fù)涞木窒扌裕p少器件數(shù)量，因?yàn)閂SI拓?fù)渲惺褂玫亩O管不再需要。這也導(dǎo)致了更低的導(dǎo)通損耗和更高的效率和功率密度。

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