在现代电力电子领域，单级功率转换系统正逐步取代传统的两级转换架构，特别是在涉及到功率因数校正（PFC）和DC/DC转换的应用中。传统的两级功率转换通常需要独立的功率因数校正电路和DC/DC转换器，这不仅增加了元器件数量，还导致了系统复杂度、体积和成本的上升。通过使用由GaN基底集成开关（BDS）器件实现的单级转换，不仅能够简化系统设计，还能大幅提高系统效率，减少设备体积并降低成本。以下详细探讨了单片GaN BDS技术的优点及其在不同应用中的潜力。
GaN BDS技术的独特性
单片GaN BDS器件，特别是英飞凌的CoolGaN系列，利用GaN横向结构的固有优势，能够实现真正的四象限开关功能。四象限开关是指能够在两种电流极性下进行电流传导和电压阻断的能力，这一特性在现代电源系统中，尤其是双向功率流应用中，至关重要。
GaN BDS的主要特征包括：
双向电流流动：每个器件具有两个独立的栅极，可以在两个方向上控制电流流动，并能够有效地阻断电压。
共享漂移区设计：这种设计使得GaN器件能够阻断电压，无论电流的方向如何，从而减少了制造过程中的材料需求和制造复杂性。
集成衬底电压控制电路：通过将衬底电压控制电路直接集成在芯片上，简化了设计并消除了外部衬底电路的需求。
英飞凌的CoolGaN BDS通过这种集成设计，克服了GaN技术传统上的挑战，如开关过程中的损耗和可靠性问题，提供了更高的效率和更小的尺寸，适用于高功率、高效能的应用场景。
GaN的横向结构优势
GaN器件的横向结构对于实现四象限开关至关重要。与传统的硅IGBT或碳化硅MOSFET等垂直结构器件相比，GaN器件的电流在衬底表面横向流动。这使得GaN HEMT能够支持双向电流流动，适用于那些需要双向功率流的电源转换系统，如电动汽车充电器、储能系统和电力逆变器等。
在传统的硅和碳化硅开关器件中，由于电流垂直流动并且电场分布通常优化用于一种极性，它们无法实现双向电流流动。要实现双向功率流，必须额外引入反向二极管，这不仅增加了系统复杂度，也导致了能量损失。
GaN器件的高迁移率2DEG（二维电子气）沟道使得它们在低电阻下支持横向电流流动，从而提高了开关效率和速度，减少了开关损耗。
集成衬底电压控制
单片GaN BDS的设计中，衬底电压控制电路直接集成在芯片上，这解决了单片结构中的浮动衬底问题。传统的GaN开关器件使用基板作为开关源极端子（图3a），但在单片BDS中，浮动的衬底会导致源极电压不一致，从而降低2DEG中的电子浓度和器件性能。英飞凌的CoolGaN BDS通过将衬底电压控制电路集成到芯片内部（图3c），有效地动态调整基板电压，使得浮动基板不再影响电路的稳定性和效率。
单级转换的优势
GaN BDS在实现单级转换中的优势主要表现在以下几个方面：
减少元器件数量：单级转换将PFC和DC/DC转换功能集成在一个阶段中，大大减少了所需的组件数量，从而降低了制造和组装成本。
简化设计：由于集成衬底控制和紧凑的器件设计，系统设计复杂性大大降低，缩短了开发周期，并减少了设计过程中的潜在错误。
提高效率：CoolGaN BDS在软开关和硬开关场景中都能提供近乎理想的性能，极大地提升了系统的整体效率，尤其在高功率应用中。
紧凑、轻便：去除传统两级转换中的中间直流链路，减少了元件数量，带来了更小、更轻的设计，非常适合空间受限的应用。
双向功率流：GaN BDS支持双向功率流，这对于电动汽车充电器、储能系统及并网系统等现代应用至关重要。
目标应用及性能指标
英飞凌的CoolGaN BDS产品系列包括650V额定电压的器件，适用于储能系统、电动汽车充电器和高性能工业转换器等应用。这些器件提供了不同的导通电阻值（110 mΩ、55 mΩ、35 mΩ），能够满足多种功率需求。CoolGaN BDS的设计不仅提高了热性能，还具有低导通损耗，并且适用于各种额定功率的应用。
典型应用场景
CoolGaN BDS技术特别适用于要求高效率、高功率密度和紧凑尺寸的应用。其典型应用场景包括：
结论
通过GaN BDS技术的创新，单级功率转换系统实现了高效、紧凑、低成本的设计，极大地提升了电力电子系统的性能和可靠性。GaN BDS器件通过提供四象限开关能力和集成的衬底控制电路，解决了传统功率转换器中的一些瓶颈问题，为电动汽车充电、储能系统和其他高效能电源系统提供了理想的解决方案。随着GaN技术的不断发展，其在高功率、高密度和高效率领域的应用将进一步拓展。
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