纳微半导体双向氮化镓开关深度解析

前不久，纳微半导体刚刚发布全球首款量产级的650V双向GaNFast氮化镓功率芯片。

在这款几乎“理想”的双向开关诞生之前，“两级”变换几乎成为了高压功率应用的既定法则：先PFC后DC-DC，还要依赖庞大的 “直流链路” 电容器。电路设计师只能忍受体积庞大、损耗高、结构复杂且成本高昂的电路系统。

而现在，纳微的双向氮化镓开关，能够轻松实现双向的电压阻断和双向的电流导通，搭配独家的IsoFast高速隔离驱动器，将两级拓扑整合为高速、高效的单级，同时省去了庞大的电容与输入电感，打造了电力电子的新范式。

01什么是双向氮化镓开关？

双向GaNFast氮化镓功率芯片功效上 = 两个“背靠背”连接的氮化镓功率开关。

但其物理结构实为尖端的单芯片设计（单片集成），通过合并漏极结构、双栅极控制及集成受专利保护的有源基板钳位技术，实现双向开关的突破。

02高度集成，一颗更比四颗强

得益于高度集成和双向特性，1颗高速、高效的双向GaNFast氮化镓功率芯片可替代最多4颗传统硅基芯片，提高系统性能的同时减少外部元件的数量、PCB占位面积和系统成本 。

这意味着：

更高的系统效率

MHz级的转换频率

可靠性提升

简化电路设计

减少无源器件成本

减少PCB面积

03单极拓扑 — 电力电子的终极方案

目前，超过70%的高压功率变换器采用双级拓扑，例如AC-DC变换器需先经PFC级，再经DC-DC级，并依赖笨重的直流母线电容缓冲，复杂的架构导致此类系统体积庞大、能效低下且成本高昂。

双向GaNFast氮化镓技术将两级整合为单级高频高效架构，彻底消除母线电容与输入电感，成为电力电子的终极解决方案。

04单级转换器典型应用案例

双向GaNFast氮化镓开关通过将交流输入电压直接转换为校正和受控的交流或直流输出电压，推动拓扑结构升级。目标市场涵盖电动汽车充电（车载充电机OBC及充电桩）、光伏逆变器、储能系统和电机驱动。

05关键的“有源基板钳位技术”

双向氮化镓器件需处理双向电压，因此需独立栅极根据极性控制电流方向。为此，纳微在硅衬底上生长 GaN/Al GaN外延层，形成2DEG导电沟道，器件结构包含两个功率端子与两个栅极。

然而，若仅采用该结构，硅衬底因与源极端子不相连而处于浮置状态，会导致衬底电位累积，并通过“背栅效应”降低2DEG浓度，影响性能。

纳微半导体专利的单片集成有源基板钳位技术，可自动将基板连接至电势最低的源极端，消除”背栅效应”，从而避免因基板电位失控导致的导通电阻。

自动检测并连接对应源极至基板，实现最优性能、效率及可靠性

RSS(ON)低3倍， 温升低15℃

06最佳辅助 - IsoFast高速驱动器

尽管双向氮化镓开关很强大，然而双向的能量控制无法仅靠一颗功率器件完成，还需要一个专用驱动器来控制其两个栅极，这两个栅极必须能够处理高瞬态条件、极高电压隔离，并确保出色的信号完整性。在这种情况下，该器件能够在超过5kV的电压下工作，并可处理高达200V/ns的极端瞬变。

为此，纳微半导体开发了专为氮化镓/碳化硅器件的隔离与驱动优化设计的IsoFast双通道数字隔离型氮化镓驱动器。其瞬态抗扰度较现有驱动器提升4倍（最高达200V/ns），且无需外部负压供电，可在高压系统中实现可靠、快速、精准的功率控制。

特征	其他驱动	IsoFast	优势
瞬态抗扰度	50V/ns	200V/ns	提升4倍 （高频GaN/SiC工况）
是否需要 负压驱动	是	否	每颗BDS可减少10颗元件， 节省0.5美元
是否需要 稳压6V驱动	是	否	每颗BDS可减少8颗元件， 节省0.3美元
待机漏电流	10mA	0.3mA	待机效率显著提升
辅助功能 （UVLO, 首脉冲）	启动/关机存在毛刺	UVLO保护、纯净首脉冲	系统可靠性增强

无需外部负偏置电源

07真实案例：太阳能微逆

纸上得来终觉浅，通过对比，我们能够更好地了解双向氮化镓开关打造的单级变换的显著优点。

下图是一个采用两级拓扑结构的传统400W太阳能微型逆变器，其作用是将太阳能电池板的能量传输至储能设备或电网。

能量首先经过DC-DC升压变压器，随后通过400VDC母线将400V直流电转换为交流电以并入电网。这种设计需要磁性元件、大容量电容以及多个开关元件。

接下来我们再来看看采用双向氮化镓开关的应用，下图展示了一家领先的太阳能微型逆变器制造商正在采用的单级双向氮化镓开关方案。

该设计在显著更小的外形尺寸下实现了更强的功率输出（500W），省去了一个磁性元件，并减少了元件数量。这种拓扑结构将系统效率从96%提升至97.5%，同时将发电成本降低30%，从0.10美元/W降至0.07美元/W。

08双向氮化镓开关产品组合

料号#	Vcont	Vdyn	RSS(ON) typ	Iss @25°C (A)	封装	量产 状况
NV6428	650V	800V	50mΩ	49	TOLT	现货
NV6427	650V	800V	100mΩ	25	TOLT	现货