双向创“芯” — 云镓半导体国内首发高压 GaN 双向器件 （GaN BDS）

 

1.  前言
 

长期以来，器件工程师都在追求一种可双向导通且双向耐压的开关元件，该类器件在AC/DC、DC/AC及AC/AC变换的应用场景中广泛应用。典型拓扑有双开关有源桥拓扑、Cyclo-converter、Vienna整流器、Matrix Converter 等，此类拓扑在数据中心、光伏微逆、车载充电器 （OBC）及电机驱动中有着巨大的应用前景。

 

 

基于传统的 Si 或 SiC MOSFET，若要实现“双向阻断 + 双向导通”功能，电源工程师需使用两个分立的“背靠背”Si 或 SiC 开关器件串联形成，这会导致串联后导通电阻翻倍，且多个封装体会占用更多的 PCB 面积。

2.  单片式高压 GaN 双向器件（MBDS）

目前 GaN 器件在消费和工业类市场中都得到了广泛应用，正朝着汽车电子领域进军。得益于 GaN 的横向器件结构和无体二极管特性，使用 GaN 工艺制造平台，无需工艺调整和 MASK 变动，通过合并漂移区和漏极以及双栅控制，即可实现单片集成式的氮化镓双向器件（Monolithic Bi-DirectionalSwitch, MBDS），从而有效降低芯片面积和成本。GaN 的双向器件极具性能和成本优势（相较于 Si/SiC 解决方案，使用 GaN BDS 方案的系统具备更少的元件数量、更小的占板面积以及更有竞争力的系统成本）。

 

 

双向器件也存在关键技术问题需要解决：单片集成的 GaN-on-Si 双向器件在开关过程中，S1-S2 的电压 VS1-S2 极性会交替变化，衬底电压需要进行控制来使之跟随最低的源极端口，避免因衬底感应电位导致的器件导通电阻变大问题。

3.  云镓发布高压 GaN MBDS

云镓半导体发布共漏式单片集成氮化镓双向器件（CGC5011），系国内首颗高压氮化镓双向器件。CGC5011是一款 650V 耐压，典型内阻 60mΩ 的单片式双向器件。CGC5011 内部集成了衬底电位控制 GaN IC，在开关过程中能够将衬底电位同步切换到最低电压的源极端口，保证器件动态电阻稳定。同时 CGC5011 采用了顶部散热的 TOLT（TO-Leadedtop-side cooling）封装形式以满足大功率应用需求。

 

4.  系统验证

使用双脉冲电路对云镓 GaN BDS 产品 CGC5011 进行动态特性验证，在 400V/18A 硬开关下，CGC5011 动态电阻稳定。
 

 

 

同时 CGC5011 在 AC 源开关电路对进行功能验证，器件功能正常，表现稳定。

 

 

 

云镓双向器件助力 GaN 器件在工业电源和汽车电源领域的推广，充分发挥 GaN 器件性能优势，提高系统功率密度，降低系统成本，同时使系统轻量化，小型化。