如今，超過70%的高壓功率變換器采用 “兩級” 硅基拓撲結構。例如，典型的AC-DC電動汽車車載充電機（OBC）會先配置PFC級，再串聯(lián)DC-DC級，中間通過龐大的 “直流母線” 電容器緩沖，來完成功率轉換。

這種拓撲結構的問題在于：系統(tǒng)體積龐大、損耗高、結構復雜且成本昂貴。本文將探討一類新型功率變換器，其支持單級變換，并可根據(jù)需求實現(xiàn)儲能與電網(wǎng)間的雙向功率流動。

圖1：如今，超過70%的高壓功率轉換器采用兩級拓撲結構，即先通過PFC級，再經過DC-DC級來提供所需電壓

雙向開關的歷史

理想開關應具備雙向特性：既能阻斷雙向電壓，又能導通雙向電流，同時具備極低的傳導損耗與動態(tài)損耗、高效散熱能力及實現(xiàn)高功率密度。

自1947年雙極型晶體管誕生近80年來，功率半導體領域的諸多進展，推動行業(yè)向這一理想開關不斷靠近：

1957年晶閘管問世，可阻斷雙向電壓，但無法雙向導通電流；1958年三端雙向可控硅（Triac）雖能處理雙向電流與電壓，卻因僅50/60Hz的極慢開關速度難以拓展應用。

1959年問世的MOSFET實現(xiàn)數(shù)十千赫茲（甚至100kHz）開關頻率，后續(xù)雖衍生出雙向MOSFET，卻受限于低功率場景；1980年硅基IGBT登場，支持更高功率，但雙向功能仍是挑戰(zhàn) —— 單個IGBT僅能處理電流或電壓中的一項，無法同時兼顧。

寬禁帶半導體的引入顯著提升了功率密度，卻仍不具備雙向能力；氮化鎵器件進一步實現(xiàn)高頻、高功率集成與保護功能，但其初期產品還不支持雙向切換。

2025年，納微半導體推出了業(yè)界首款650V雙向氮化鎵功率芯片，推動功率變換從兩級拓撲向單級拓撲跨越。

納微的NV6427與NV6428雙向氮化鎵功率芯片支持650V的持續(xù)工作，典型導通電阻分別為50mΩ（對應 49A 持續(xù)電流）與100mΩ（對應25A持續(xù)電流），具備零反向恢復電荷特性，開關頻率最高達2MHz，采用頂部散熱的TOLT-16L封裝。

納微的雙向氮化鎵開關

雙向氮化鎵功率開關的問世，將兩級拓撲集成到高速、高效的單級中，同時省去了龐大的電容器與輸入電感。其可處理雙向電流與電壓，并支持高頻開關，是單級變換器的理想之選。

圖 2：雙向氮化鎵開關在硅襯底上采用GaN/AlGaN結構，以創(chuàng)建具有兩個功率端子和兩個柵極的二維電子氣（2DEG）導電通道。

雙向氮化鎵開關需處理雙向電壓，因此需獨立柵極根據(jù)極性控制電流流向。為實現(xiàn)這一目標，需要在硅襯底上生長GaN/AlGaN外延層，形成二維電子氣（2DEG）導電溝道，器件結構包含兩個功率端子與兩個柵極。

若僅采用上述結構，硅襯底因未與源極連接而處于懸浮狀態(tài)，會導致襯底電位累積，并通過“背柵效應”降低 2DEG 濃度，影響性能。

納微率先開發(fā)并推出了有源襯底鉗位技術，以最低電位自主將硅襯底鉗位至源極。這一技術帶來的顯著優(yōu)勢在于：確保雙向氮化鎵開關穩(wěn)定運行且電阻無漂移，在眾多應用場景中，其工作溫度較無鉗位的同類方案低15°C。

這一改進可通過圖 3 佐證：綠色三角波為電流曲線，粉色（鉗位）與白色（無鉗位）曲線為開關兩端電壓 —— 鉗位技術消除了導通電阻漂移，提升效率并實現(xiàn)平滑運行。

圖3：開關上的電流（綠色）和鉗位（粉色）/ 未鉗位（白色）電壓 —— 鉗位電壓不會出現(xiàn)降低效率的電壓尖峰。

此外，雙向氮化鎵開關需專用驅動器控制雙柵極，該驅動器需能應對高瞬態(tài)條件、高電壓隔離并確保卓越的信號完整性，支持5kV以上工作電壓及200V/ns的極端瞬態(tài)變化。

為此，納微開發(fā)了IsoFast高速隔離型氮化鎵驅動器，專為適配雙向氮化鎵開關設計，支持1MHz以上頻率、5kV隔離耐壓，并能以高完整性傳輸高速信號。

單級拓撲的優(yōu)勢

如前文所述，絕大多數(shù)功率轉換器采用兩級拓撲，不僅速度慢、效率低，還導致轉換器體積臃腫且損耗嚴重。

盡管行業(yè)通過引入碳化硅（SiC）與氮化鎵（GaN）技術優(yōu)化兩級轉換器，在效率、功率密度與開關速度上取得進展，但即便采用這兩種寬禁帶材料，該拓撲已接近性能極限。

單級的雙向氮化鎵開關變換器不僅省去了PFC級，還一并省去了電解電容與直流鏈路電容。此外，該拓撲天然支持軟開關，可充分發(fā)揮高頻優(yōu)勢，同時大幅縮減無源元件尺寸。其最終實現(xiàn)：功率密度提升30%、節(jié)能效率提升10%、成本降低10%。

更重要的是，雙向能量流動能力對可再生能源、交流電網(wǎng)、儲能系統(tǒng)（包括電動汽車）的高效功率交互至關重要。

實際應用案例：太陽能微型逆變器

拋開理論數(shù)據(jù)，以傳統(tǒng)400W兩級拓撲太陽能微型逆變器為例，其將太陽能板能量傳輸至儲能系統(tǒng)或電網(wǎng)時，需先通過DC-DC升壓變壓器，再經 400VDC母線轉換為交流電并網(wǎng)。如圖4所示，該設計需磁性元件、大容量電容及多個開關元件。

而圖 4b 展示了某領先太陽能微型逆變器制造商采用的單級雙向氮化鎵開關的方案：功率提升至500W的同時，體積顯著縮小，省去1個磁性元件并減少元件數(shù)量。該拓撲將系統(tǒng)效率從96%提升至97.5%，發(fā)電成本從0.10美元/瓦降至0.07美元/瓦，降幅達 30%。

圖4a/b：基于環(huán)型變流器拓撲的 500W 太陽能微型逆變器電路圖，左側為傳統(tǒng)400W兩級解決方案，右側為單級BDS轉換器解決方案，顯示出尺寸、元件數(shù)量和復雜度的降低。

強強聯(lián)合，共造行業(yè)領先方案

納微半導體聯(lián)合兆易創(chuàng)新推出的500W單級微逆方案，采用基于兆易創(chuàng)新GD32 G5系列MCU與納微半導體雙向GaNFast氮化鎵功率芯片的單級一拖一架構，二者的強強聯(lián)合集中體現(xiàn)了該技術方向的核心優(yōu)勢。該方案有著高效率、高質量并網(wǎng)以及高集成度的特點：在100kHz開關頻率下，實現(xiàn)了97.5%的峰值效率和97%的CEC加權效率，MPPT效率為99.9%；500W條件下，THD為3.2%，PF為0.999。

原文來自于《Bodo's功率系統(tǒng)》2025年7/8月刊，作者為納微半導體企業(yè)營銷及產品管理高級總監(jiān)Llew Vaughan-Edmund。本文在原文基礎上進行了修改。