如今，超過70%的高壓功率變換器采用 “兩級” 硅基拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。例如，典型的AC-DC電動(dòng)汽車車載充電機(jī)（OBC）會(huì)先配置PFC級，再串聯(lián)DC-DC級，中間通過龐大的 “直流母線” 電容器緩沖，來完成功率轉(zhuǎn)換。

這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的問題在于：系統(tǒng)體積龐大、損耗高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本昂貴。本文將探討一類新型功率變換器，其支持單級變換，并可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能與電網(wǎng)間的雙向功率流動(dòng)。

圖1：如今，超過70%的高壓功率轉(zhuǎn)換器采用兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即先通過PFC級，再經(jīng)過DC-DC級來提供所需電壓

雙向開關(guān)的歷史

理想開關(guān)應(yīng)具備雙向特性：既能阻斷雙向電壓，又能導(dǎo)通雙向電流，同時(shí)具備極低的傳導(dǎo)損耗與動(dòng)態(tài)損耗、高效散熱能力及實(shí)現(xiàn)高功率密度。

自1947年雙極型晶體管誕生近80年來，功率半導(dǎo)體領(lǐng)域的諸多進(jìn)展，推動(dòng)行業(yè)向這一理想開關(guān)不斷靠近：

1957年晶閘管問世，可阻斷雙向電壓，但無法雙向?qū)娏鳎?958年三端雙向可控硅（Triac）雖能處理雙向電流與電壓，卻因僅50/60Hz的極慢開關(guān)速度難以拓展應(yīng)用。

1959年問世的MOSFET實(shí)現(xiàn)數(shù)十千赫茲（甚至100kHz）開關(guān)頻率，后續(xù)雖衍生出雙向MOSFET，卻受限于低功率場景；1980年硅基IGBT登場，支持更高功率，但雙向功能仍是挑戰(zhàn) —— 單個(gè)IGBT僅能處理電流或電壓中的一項(xiàng)，無法同時(shí)兼顧。

寬禁帶半導(dǎo)體的引入顯著提升了功率密度，卻仍不具備雙向能力；氮化鎵器件進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高頻、高功率集成與保護(hù)功能，但其初期產(chǎn)品還不支持雙向切換。

2025年，納微半導(dǎo)體推出了業(yè)界首款650V雙向氮化鎵功率芯片，推動(dòng)功率變換從兩級拓?fù)湎騿渭壨負(fù)淇缭健?/p>

納微的NV6427與NV6428雙向氮化鎵功率芯片支持650V的持續(xù)工作，典型導(dǎo)通電阻分別為50mΩ（對應(yīng) 49A 持續(xù)電流）與100mΩ（對應(yīng)25A持續(xù)電流），具備零反向恢復(fù)電荷特性，開關(guān)頻率最高達(dá)2MHz，采用頂部散熱的TOLT-16L封裝。

納微的雙向氮化鎵開關(guān)

雙向氮化鎵功率開關(guān)的問世，將兩級拓?fù)浼傻礁咚?、高效的單級中，同時(shí)省去了龐大的電容器與輸入電感。其可處理雙向電流與電壓，并支持高頻開關(guān)，是單級變換器的理想之選。

圖 2：雙向氮化鎵開關(guān)在硅襯底上采用GaN/AlGaN結(jié)構(gòu)，以創(chuàng)建具有兩個(gè)功率端子和兩個(gè)柵極的二維電子氣（2DEG）導(dǎo)電通道。

雙向氮化鎵開關(guān)需處理雙向電壓，因此需獨(dú)立柵極根據(jù)極性控制電流流向。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要在硅襯底上生長GaN/AlGaN外延層，形成二維電子氣（2DEG）導(dǎo)電溝道，器件結(jié)構(gòu)包含兩個(gè)功率端子與兩個(gè)柵極。

若僅采用上述結(jié)構(gòu)，硅襯底因未與源極連接而處于懸浮狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致襯底電位累積，并通過“背柵效應(yīng)”降低 2DEG 濃度，影響性能。

納微率先開發(fā)并推出了有源襯底鉗位技術(shù)，以最低電位自主將硅襯底鉗位至源極。這一技術(shù)帶來的顯著優(yōu)勢在于：確保雙向氮化鎵開關(guān)穩(wěn)定運(yùn)行且電阻無漂移，在眾多應(yīng)用場景中，其工作溫度較無鉗位的同類方案低15°C。

這一改進(jìn)可通過圖 3 佐證：綠色三角波為電流曲線，粉色（鉗位）與白色（無鉗位）曲線為開關(guān)兩端電壓 —— 鉗位技術(shù)消除了導(dǎo)通電阻漂移，提升效率并實(shí)現(xiàn)平滑運(yùn)行。

圖3：開關(guān)上的電流（綠色）和鉗位（粉色）/ 未鉗位（白色）電壓 —— 鉗位電壓不會(huì)出現(xiàn)降低效率的電壓尖峰。

此外，雙向氮化鎵開關(guān)需專用驅(qū)動(dòng)器控制雙柵極，該驅(qū)動(dòng)器需能應(yīng)對高瞬態(tài)條件、高電壓隔離并確保卓越的信號完整性，支持5kV以上工作電壓及200V/ns的極端瞬態(tài)變化。

為此，納微開發(fā)了IsoFast高速隔離型氮化鎵驅(qū)動(dòng)器，專為適配雙向氮化鎵開關(guān)設(shè)計(jì)，支持1MHz以上頻率、5kV隔離耐壓，并能以高完整性傳輸高速信號。

單級拓?fù)涞膬?yōu)勢

如前文所述，絕大多數(shù)功率轉(zhuǎn)換器采用兩級拓?fù)?，不僅速度慢、效率低，還導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器體積臃腫且損耗嚴(yán)重。

盡管行業(yè)通過引入碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）技術(shù)優(yōu)化兩級轉(zhuǎn)換器，在效率、功率密度與開關(guān)速度上取得進(jìn)展，但即便采用這兩種寬禁帶材料，該拓?fù)湟呀咏阅軜O限。

單級的雙向氮化鎵開關(guān)變換器不僅省去了PFC級，還一并省去了電解電容與直流鏈路電容。此外，該拓?fù)涮烊恢С周涢_關(guān)，可充分發(fā)揮高頻優(yōu)勢，同時(shí)大幅縮減無源元件尺寸。其最終實(shí)現(xiàn)：功率密度提升30%、節(jié)能效率提升10%、成本降低10%。

更重要的是，雙向能量流動(dòng)能力對可再生能源、交流電網(wǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)（包括電動(dòng)汽車）的高效功率交互至關(guān)重要。

實(shí)際應(yīng)用案例：太陽能微型逆變器

拋開理論數(shù)據(jù)，以傳統(tǒng)400W兩級拓?fù)涮柲芪⑿湍孀兤鳛槔?，其將太陽能板能量傳輸至?chǔ)能系統(tǒng)或電網(wǎng)時(shí)，需先通過DC-DC升壓變壓器，再經(jīng) 400VDC母線轉(zhuǎn)換為交流電并網(wǎng)。如圖4所示，該設(shè)計(jì)需磁性元件、大容量電容及多個(gè)開關(guān)元件。

而圖 4b 展示了某領(lǐng)先太陽能微型逆變器制造商采用的單級雙向氮化鎵開關(guān)的方案：功率提升至500W的同時(shí)，體積顯著縮小，省去1個(gè)磁性元件并減少元件數(shù)量。該拓?fù)鋵⑾到y(tǒng)效率從96%提升至97.5%，發(fā)電成本從0.10美元/瓦降至0.07美元/瓦，降幅達(dá) 30%。

圖4a/b：基于環(huán)型變流器拓?fù)涞?500W 太陽能微型逆變器電路圖，左側(cè)為傳統(tǒng)400W兩級解決方案，右側(cè)為單級BDS轉(zhuǎn)換器解決方案，顯示出尺寸、元件數(shù)量和復(fù)雜度的降低。

強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，共造行業(yè)領(lǐng)先方案

納微半導(dǎo)體聯(lián)合兆易創(chuàng)新推出的500W單級微逆方案，采用基于兆易創(chuàng)新GD32 G5系列MCU與納微半導(dǎo)體雙向GaNFast氮化鎵功率芯片的單級一拖一架構(gòu)，二者的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合集中體現(xiàn)了該技術(shù)方向的核心優(yōu)勢。該方案有著高效率、高質(zhì)量并網(wǎng)以及高集成度的特點(diǎn)：在100kHz開關(guān)頻率下，實(shí)現(xiàn)了97.5%的峰值效率和97%的CEC加權(quán)效率，MPPT效率為99.9%；500W條件下，THD為3.2%，PF為0.999。

原文來自于《Bodo's功率系統(tǒng)》2025年7/8月刊，作者為納微半導(dǎo)體企業(yè)營銷及產(chǎn)品管理高級總監(jiān)Llew Vaughan-Edmund。本文在原文基礎(chǔ)上進(jìn)行了修改。