650V 双向E-mode GaN(MBDS) Buck型AC/AC转换器评估板

云镓半导体

650V 双向E-mode GaN(MBDS)的应用

1. MBDS器件介绍
 

    云镓半导体推出了650V E-mode GaN双向器件MBDS(Monolithic Bi-Directional Switch, MBDS)。

      这种GaN半导体器件使用 GaN 工艺制造平台，在无需工艺调整和 MASK 变动的前提下，通过合并漂移区和漏极以及双栅控制，即可以实现单片集成的氮化镓双向器件（Monolithic Bi-Directional Switch, 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。MBDS器件的结构见下图：

图1、基于硅基氮化镓功率器件平台的双向器件(MBDS)结构

      云镓半导体通过设计实现了带有衬底电位控制电路的GaN BDS 器件，可以使MBDS器件稳定安全的实现四象限工作。

图2、带有衬底电位控制电路的MBDS 器件结构示意图（左）以及四象限工作模式（右）

      如下图所示为GaN BDS的四象限静态I-V测试曲线，通过静态数据可以看出，GaN BDS在沟道导通状态、二极管模式状态以及关态耐压模式均表现出对称性，体现出“双向导通，双向阻断”的双向器件特性。

 

图3、云镓MBDS CKG65090TBD的四象限I-V测试曲线

 

2. 评估板介绍

     本评估板的主要电路框图见下图所示，可以很清晰看得出这是一个Buck型的AC/AC调制器。也可以根据具体的需求，轻易修改为Boost型的AC/AC调制器：：

 

图4、主要电路结构示意图

图5、评估板外观

 

      交流输入直接连接到MBDS组成的半桥电路上，同时通过采样电路采样输入交流电压的相位和电压等数据。控制板的控制器根据采集的数据通过算法输出相应的四路驱动信号分别驱动两个MBDS器件上的两个门极。隔离供电电源分别为四路驱动（合并为三路驱动）供电，实现MBDS的正常工作。MBDS组成的半桥的输出经过LC滤波器（外挂）后变成标准的正弦波，且相位和原来电网的相位对应。见下面的波形：

    

图6、输入交流电压(黄色)和 输出交流电压(紫色)	图7、MBDS四象限工作过程示意(Vss)
图8、上下管源-源极电压波形	图9、上下管源-源极电压波形

       从以上波形来看，设计合理，没有异常的应力。

3. AC/AC方案的应用场景

 

      在前面已经初步描述了此评估板的功能，即把输入的交流电压经过调制后，依然输入为交流电压，且实现输入输出正弦波形相位的跟随。拥有高质量的APF和THi值，且能实现一定程度的升压或降压。

      这种方案也可以经过改装在双向开关半桥后面直接挂工频变压器实现以电气隔离。