云鎵半導(dǎo)體

650V 雙向E-mode GaN(MBDS)的應(yīng)用

1.MBDS器件介紹

云鎵半導(dǎo)體推出了650V E-mode GaN雙向器件MBDS(Monolithic Bi-Directional Switch, MBDS)。

這種GaN半導(dǎo)體器件使用 GaN 工藝制造平臺(tái)，在無(wú)需工藝調(diào)整和 MASK 變動(dòng)的前提下，通過(guò)合并漂移區(qū)和漏極以及雙柵控制，即可以實(shí)現(xiàn)單片集成的氮化鎵雙向器件（Monolithic Bi-Directional Switch, MBDS），從而有效降低芯片面積和成本。GaN 的雙向器件極具性能和成本優(yōu)勢(shì)。MBDS器件的結(jié)構(gòu)見下圖：

圖1、基于硅基氮化鎵功率器件平臺(tái)的雙向器件(MBDS)結(jié)構(gòu)

云鎵半導(dǎo)體通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了帶有襯底電位控制電路的GaN BDS 器件，可以使MBDS器件穩(wěn)定安全的實(shí)現(xiàn)四象限工作。

圖2、帶有襯底電位控制電路的MBDS 器件結(jié)構(gòu)示意圖（左）以及四象限工作模式（右）

如下圖所示為GaN BDS的四象限靜態(tài)I-V測(cè)試曲線，通過(guò)靜態(tài)數(shù)據(jù)可以看出，GaN BDS在溝道導(dǎo)通狀態(tài)、二極管模式狀態(tài)以及關(guān)態(tài)耐壓模式均表現(xiàn)出對(duì)稱性，體現(xiàn)出“雙向?qū)ǎp向阻斷”的雙向器件特性。

圖3、云鎵MBDS CKG65090TBD的四象限I-V測(cè)試曲線

2.評(píng)估板介紹

本評(píng)估板的主要電路框圖見下圖所示，可以很清晰看得出這是一個(gè)Buck型的AC/AC調(diào)制器。也可以根據(jù)具體的需求，輕易修改為Boost型的AC/AC調(diào)制器：：

圖4、主要電路結(jié)構(gòu)示意圖

圖5、評(píng)估板外觀

交流輸入直接連接到MBDS組成的半橋電路上，同時(shí)通過(guò)采樣電路采樣輸入交流電壓的相位和電壓等數(shù)據(jù)。控制板的控制器根據(jù)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)算法輸出相應(yīng)的四路驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)兩個(gè)MBDS器件上的兩個(gè)門極。隔離供電電源分別為四路驅(qū)動(dòng)（合并為三路驅(qū)動(dòng)）供電，實(shí)現(xiàn)MBDS的正常工作。MBDS組成的半橋的輸出經(jīng)過(guò)LC濾波器（外掛）后變成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，且相位和原來(lái)電網(wǎng)的相位對(duì)應(yīng)。見下面的波形：

圖6、輸入交流電壓(黃色)和 輸出交流電壓(紫色)	圖7、MBDS四象限工作過(guò)程示意(Vss)
圖8、上下管源-源極電壓波形	圖9、上下管源-源極電壓波形

從以上波形來(lái)看，設(shè)計(jì)合理，沒有異常的應(yīng)力。

3.AC/AC方案的應(yīng)用場(chǎng)景

在前面已經(jīng)初步描述了此評(píng)估板的功能，即把輸入的交流電壓經(jīng)過(guò)調(diào)制后，依然輸入為交流電壓，且實(shí)現(xiàn)輸入輸出正弦波形相位的跟隨。擁有高質(zhì)量的APF和THi值，且能實(shí)現(xiàn)一定程度的升壓或降壓。

這種方案也可以經(jīng)過(guò)改裝在雙向開關(guān)半橋后面直接掛工頻變壓器實(shí)現(xiàn)以電氣隔離。