摘要：功率半导体的发展，始终源于对无限接近理想开关器件性能的不懈追求。多年以来，设计工程师们一直构想这样一种技术：它既能有效阻断反向电压，又能以近乎零损耗的状态实现双向电流导通。如今，随着GaN（氮化镓）技术的引入，这一宏伟愿景正逐步从理想照进现实。
功率半导体的发展，始终源于对无限接近理想开关器件性能的不懈追求。多年以来，设计工程师们一直构想这样一种技术：它既能有效阻断反向电压，又能以近乎零损耗的状态实现双向电流导通。如今，随着GaN（氮化镓）技术的引入，这一宏伟愿景正逐步从理想照进现实。
近期纳微半导体举办了网络研讨会，发布了一项功率转换领域的突破性成果，网络研讨会的完整视频已在公司官网发布。
开关器件发展简史
半导体开关器件的发展历程可以追溯到1947年双极晶体管的诞生。尽管这在当时是一项重大突破，但距离理想开关仍有较大差距。紧随其后的晶闸管，它在电压层面实现了双向特性，但电流仍为单向。随后出现的三端双向可控硅开关元件（Triac），是首款真正意义上的双向器件，但其工作频率仅有50Hz或60Hz，是标准的交流电网频率。
上世纪80年代末，功率MOSFET的问世，标志着电力电子学发展的一个重要里程碑。它带来了更高的开关频率、更优的效率、更低的损耗以及更好的热稳定性。尽管MOSFET可以通过将两个器件背靠背连接的方式配置成双向开关（BDS），但这种方案的应用范围仅限于低功率场景。
IGBT是朝着理想开关方向的又一次探索，但要实现电压和电流的双向性，则需要设计两个独立的结构，这无疑增加了其设计的复杂度。
随着宽禁带半导体材料的出现，特别是2018年引入的GaN技术，开关器件发生真正的飞跃。GaN使得高频率、高功率的开关操作成为可能，其电压范围可覆盖80V至900V。然而，在纳微半导体取得最新突破之前，业界始终未能实现真正意义上的双向开关。
GaN双向开关的创新结构
纳微半导体推出的新型双向GaN功率IC，专为适应多种电路拓扑而设计。它能够在单一且具备高效散热能力的封装内替代原有的四个器件，并通过散热器实现有效的热量管理。这项创新使得设计工程师能够将传统的两级功率架构（AC-DC PFC + DC-DC）革新为单级AC-DC转换器——这堪称功率转换领域的一大创举。
从原理上看，硅基GaN横向晶体管因其不含体二极管，本身即为对称的双向电流开关。但在传统的GaN FET中，栅极到漏极（G-D）之间的距离决定了器件的击穿电压，从而使其呈现单向特性。
为实现真正的双向导通与阻断，纳微半导体引入了一种全新的结构设计，如图1所示。
图1：双向GaN开关横截面
该方法通过确保源极-栅极区域与漏极-栅极区域的等距间隔，构建出对称的漂移区，从而保证了器件在两个方向上均能实现均匀的电压阻断能力。在BDS配置下，栅极G1和G2分别控制这两个漂移区，进而形成一个支持双向电流流动的公共漏极区。这种设计不仅缩小了单元间距，还有效优化了导通电阻。
设计过程中的一个核心挑战在于如何有效管理硅衬底。由于硅衬底并未直接连接到源极或接地，其电位可能发生非预期的漂移。一旦发生这种情况，器件的导通特性便会恶化，导致总导通电阻增加三倍——这一现象被称为“背栅效应”。
凭借在集成功率GaN领域长达10年的深厚积累，纳微半导体成功研发出一种稳定衬底电位的解决方案，确保了开关器件能够在无额外电阻增加的情况下可靠工作。这项改进将导通电阻降低了三分之一，使得器件在众多应用场景中的工作温度能够降低15°C。
双栅极驱动电路的突破
另一个重大的技术挑战在于设计全新的栅极驱动器系列，使其能够精确控制两个独立的栅极。这类驱动器必须能够承受严苛的高瞬态电压条件，具备极高的隔离电压能力，并满足严格的信号完整性要求，以确保对栅极的完美控制。
纳微半导体凭借其强大的研发实力，成功推出了全新的IsoFast™驱动器系列。该系列驱动器能够应对高达5kV的隔离电压，并能承受速率高达200V/ns的电压瞬变。
这些优异特性使得IsoFast™驱动器成为新型BDS IC的理想搭档，共同构建出具备卓越效率、极致紧凑性和超高可靠性的下一代功率转换系统。
目标市场与应用前景
当前，超过70%的高压功率转换器仍采用两级拓扑结构。当由市电供电时，其典型配置如图2(a)所示：第一级为功率因数校正电路（PFC）和一个直流/直流（DC/DC）转换器。
图2：(a) 两阶段和(b) 单阶段转换器
尽管这种架构得到了广泛应用，但其固有的局限性亦不容忽视，主要包括：
效率偏低功率密度受限成本较高固有的单向性虽然宽禁带半导体的应用在一定程度上改善了性能，但根本性的制约依然存在。然而，通过引入GaN BDS技术，我们能够采用单级交流/直流电路（AC/DC)（如图2(b)所示）实现相同的功能，从而克服上述瓶颈。
GaN BDS方案的核心优势
无需PFC级，简化电路结构移除体积庞大且成本高昂的直流链路电解电容器支持超高频工作，显著缩小无源元件的尺寸实现双向功率流，完美契合众多新兴电气化应用的需求GaN BDS技术的主要受益领域
电动汽车车载充电器（OBC）电池储能及备用电源系统V2X（车联网）应用，支持车辆与以下目标的双向能量交互：电网（V2G）家庭（V2H）特定负载（V2L）其他车辆（V2V）此外，功率密度提升了30%，显著减小了系统整体尺寸，这使得在各类功率转换应用中实现更为紧凑、高效的设计成为可能。
典型应用案例
BDS IC正迅速成为电机驱动、储能系统、车载充电器（OBC）以及各类功率转换器实现显著系统成本降低的关键赋能技术。其中，400W太阳能微逆变器和11.5kW电动汽车OBC是两个尤为引人注目的应用实例。
传统的太阳能微逆变器通常包含两级转换：
1.DC/DC转换器，用于生成400V的母线电压
2.DC/AC逆变器，将直流电能转换为交流电并馈入电网
这种方案需要大量的磁性元件、电容器和功率开关，导致系统复杂度和成本居高不下。而新型BDS IC则能够实现单级DC/AC转换，从而将设计简化为一个磁性元件和两个高压BDS IC，并在PCB背面集成双通道驱动器。
由此带来的性能提升是巨大的：
功率输出从400W提升至500W系统效率提高1.5%每瓦成本从10美分/W降至7美分/W，这对于光伏系统的经济性至关重要第二个案例是对传统两级11.5kW电动汽车OBC与采用BDS技术的单级OBC进行的对比。
主要区别在于：
单级BDS OBC可为800V电池系统供电，其电池容量较传统方案增加60%，但限制了OBC的可用安装空间。传统的两级OBC（例如厚度达到5英寸）往往会从电池包中突出，这对于空间紧凑的电动卡车而言是一个棘手的问题。而采用高频单级设计的BDS OBC，其厚度仅为2英寸，显著优化了空间利用率。这种创新方案的优势包括：
无需三个笨重的PFC电感器和大型高压电容器。采用表面贴装封装，支持自动化生产流程，取代了传统的手动元件插件，从而降低了制造成本并提升了生产效率。开关器件数量大幅减少：传统两级OBC：需要48个开关器件。单级BDS OBC（采用传统串联开关）：需要46个开关器件。若全面采用GaN BDS IC方案：理论上仅需24个IC即可实现。此外，纳微半导体指出，将开关频率从200kHz提升至600kHz，可以使电感器更小、更薄，从而使系统整体尺寸和成本降低20%。
除了上述应用场景，BDS IC在电流源逆变器和固态断路器领域也展现出巨大的应用潜力。这些技术进步正为各行各业的功率解决方案向着更紧凑、更高效、更经济的方向发展铺平道路。
产品系列概览
纳微半导体首批推出的双向GaNFast IC系列包含两款产品。这两款产品均可持续承受±650V的源极至源极电压（VSS_(CONT)），并在持续时间短于100毫秒的非重复性瞬态事件下，耐压能力可达±800V。
第一款产品在环境温度下的典型源极至源极导通电阻为52mΩ，最大值为70mΩ。另一款器件的相应参数分别为104mΩ（典型值）和140mΩ（最大值）。两款IC均采用顶部散热的TOLT-16L（晶体管外形引线顶部散热型）封装，确保了高效的散热性能，便于集成到各种应用之中。
参考文献
1. Navitas Drives a Paradigm Shift in Power with Single-Stage Bi-Directional Switch (BDS) Converters – Navitas
2. Bi-Directional GaN – Navitas
3. Navitas Debuts 650V Bi-Directional GaN Power ICs for EV Onboard Chargers at APEC 2025
---
关于作者：Filippo Di Giovanni，已退休，曾任意法半导体战略营销经理；现任Power Semiconductors 特约编辑。
周子吉编译整理
来源：宽禁带联盟
