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GaNBDS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 GaNIC，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。