在電動汽車、可再生能源發電、車對車通信以及儲能等電力應用中，雙向開關特别有用。這些開關能夠高效地控制雙向能量流動，確定在各種工作條件下的可靠和安全運作。基于這些技術的單片雙向開關實作了高功率轉換效率，并日益被認作為功率電子應用的行業标準。
雙向電力流動
在目前由矽器件主導的功率器件市場中，GaN和SIC逐漸增加其市場佔有率。Power America的執行董事兼CTO Victor Veliadis博士說：“GaN和SiC功率器件市場都在迅速增長，預計到2029年，SiC和GaN的組合将占據整體功率器件市場的約50%，而矽占據剩下的50%。”
接下來，我們将看到寬禁帶半導體如何成功地應用于雙向電力應用。雙向流動能夠實作多種應用，包括：
· 電動汽車(車到電網G2V、電網到車V2G、車到家V2H、車到車V2V)
· 使用再生能源和/或儲能元件的分布式和并網電力系統
· 資料中心電網服務(頻率調節、需求管理、峰值轉移)與雙向UPS
· 固态斷路器保護
· 雙向DC-DC轉換器
· 儲能系統的充放電
· 再生電力(刹車、電梯、傳送帶)
橫向和縱向配置
在900V以上，高功率器件通常采用縱向配置。市場上現有的GaN開關都是橫向器件，漏極和栅極之間的間距決定了它們的擊穿電壓。如圖1-a所示，間距越大，器件能夠阻擋的電壓越高。
圖1a
“這也限制了GaN橫向器件在高電壓方面的應用。當栅極到漏極的間距變得非常大以适應高電壓時，器件在晶圓上占用的空間開始過大，降低了産量，”Veliadis說。
現有或已展示的SiC功率器件采用縱向配置。縱向漂移層的摻雜和厚度決定了器件的擊穿電壓。一個600V的器件漂移層厚度約為4微米;而将厚度增加到100微米，可以得到一個12KV評級的器件(如圖1-b所示)。在制造高壓器件時，這是一個很大的優勢，因為相應的器件面積沒有增加。
圖1b
預設情況下，GaN功率器件通常是常開型的。然而，對于某些應用，常閉型器件在故障安全操作條件下更受歡迎。如圖2所示，獲得常閉型GaN器件的常見方法是在栅極下方插入一個P摻雜的GaN層。非常重要的是，橫向GaN器件的制造與矽的大規模制造相容。
圖2
如何制造GaN雙向開關
“關于電流流動，GaN橫向器件本質上是雙向的。無論電流是從源極到漏極還是從漏極到源極，都是一樣的，因為沒有涉及體二極管。然而，這種配置的阻斷是單向的，因為它由栅極到漏極的間距決定，”Veliadis說。
使器件在阻擋方面雙向的一種方法是使栅極到漏極的間距等于源極到栅極的間距。這樣，無論高電壓來自源極還是漏極，你都可以從任一側保持相同的電壓，因為你的源極-栅極和栅極-漏極的間距是相同的。缺點是器件的單元間距增加了。
解決這一問題并保持單元間距最小的一種有趣方法是如圖3所示的雙栅結構。當高電壓從源極二進入時，使用栅極一，并且公共漏極區域阻擋高電壓，保持源極到栅極的間距較小。同樣，如果高電壓從源極一進入，栅極二将控制器件。
圖3
“雙栅雙向開關利用公共漏極區域，使器件的單元間距盡可能小，”Veliadis說。
松下公司展示了這一概念，使用一個常閉雙栅單片GaN雙向開關實作了對稱的100A導電和1,100V阻斷電壓。
如何制造SiC雙向開關
SiC功率半導體，無論是平面MOSFET、溝槽MOSFET還是JFET，主要是縱向配置，并且具有一個内部二極管，設定了對稱雙向電流流動的條件。盡管對稱雙向流動是可能的，但在雙向電壓方面阻斷縱向器件成為一個問題。
圖4a
一種可能的解決方案是如圖4-a所示，在共源極配置中背靠背連接配接兩個器件。這種配置允許你使用單個栅極驅動器控制雙向阻斷和導電。或者，你可以如圖4-b所示，在共漏極配置中連接配接器件。在這種情況下，需要兩個獨立的栅極驅動器。你可以有一個具有公共漂移層的單個器件，如圖4-c所示。
圖4b
“共源極連接配接配置可以單片實作，意味着兩個晶片在同一晶圓上背靠背連接配接。這種解決方案簡化了封裝，并有助于減少在寬禁帶器件中至關重要的電感，”Veliadis說。
另一種方法是将兩個SiC MOSFET在共漏極配置中連接配接，獲得一個由兩個不同栅極控制電流流動的四端開關。
共源逆變器應用
由傳統矽開關(MOSFET、IGBT和二極管)建構的電壓源逆變器(VSI)拓撲(如圖5所示)有一些局限性。電容器往往相當脆弱且在溫度上有限。此外，高dV/dt會對電機絕緣造成壓力，導緻電磁幹擾(EMI)噪聲中的共模現象。
共源極配置(CSI)使用一個電感，一個非常堅固的元件，可以耐受高溫。圖5顯示，CSI配置實作了非常低的諧波失真，減少了共模EMI和軸承電流。
圖5
寬禁帶單片雙向開關使共源逆變器能夠克服VSI拓撲的局限性，并減少器件數量，因為VSI拓撲中使用的二極管不再需要。這也導緻了更低的導通損耗和更高的效率和功率密度。
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