云鎵半導體

650V 雙向E-mode GaN(MBDS)的應用

1.MBDS器件介紹

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

這種GaN半導體器件使用 GaN 工藝制造平臺，在無需工藝調整和 MASK 變動的前提下，通過合并漂移區和漏極以及雙柵控制，即可以實現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勢。MBDS器件的結構見下圖：

圖1、基于硅基氮化鎵功率器件平臺的雙向器件(MBDS)結構

云鎵半導體通過設計實現了帶有襯底電位控制電路的GaN BDS 器件，可以使MBDS器件穩定安全的實現四象限工作。

圖2、帶有襯底電位控制電路的MBDS 器件結構示意圖（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I-V測試曲線，通過靜態數據可以看出，GaN BDS在溝道導通狀態、二極管模式狀態以及關態耐壓模式均表現出對稱性，體現出“雙向導通，雙向阻斷”的雙向器件特性。

圖3、云鎵MBDS CKG65090TBD的四象限I-V測試曲線

2.評估板介紹

本評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Buck型的AC/AC調制器。也可以根據具體的需求，輕易修改為Boost型的AC/AC調制器：：

圖4、主要電路結構示意圖

圖5、評估板外觀

交流輸入直接連接到MBDS組成的半橋電路上，同時通過采樣電路采樣輸入交流電壓的相位和電壓等數據。控制板的控制器根據采集的數據通過算法輸出相應的四路驅動信號分別驅動兩個MBDS器件上的兩個門極。隔離供電電源分別為四路驅動（合并為三路驅動）供電，實現MBDS的正常工作。MBDS組成的半橋的輸出經過LC濾波器（外掛）后變成標準的正弦波，且相位和原來電網的相位對應。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

從以上波形來看，設計合理，沒有異常的應力。

3.AC/AC方案的應用場景

在前面已經初步描述了此評估板的功能，即把輸入的交流電壓經過調制后，依然輸入為交流電壓，且實現輸入輸出正弦波形相位的跟隨。擁有高質量的APF和THi值，且能實現一定程度的升壓或降壓。

這種方案也可以經過改裝在雙向開關半橋后面直接掛工頻變壓器實現以電氣隔離。