雙向開關(guān)比傳統(tǒng)電源開關(guān)具有優(yōu)勢(shì)，并可能成為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

一個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，工程師和科學(xué)家一直在開發(fā)更先進(jìn)的半導(dǎo)體功率開關(guān)，旨在改善各種設(shè)備的功能。傳統(tǒng)的電源開關(guān)通常是單向的，因此需要至少兩個(gè)單獨(dú)的開關(guān)來(lái)打開或關(guān)閉這些設(shè)備并阻止任一方向或兩個(gè)方向的電壓或電流。

雙向開關(guān)的用例

技術(shù)的新進(jìn)步促進(jìn)了雙向開關(guān)的開發(fā)，能夠處理兩個(gè)方向的打開和關(guān)閉位置。與傳統(tǒng)電源開關(guān)相比，這些雙向開關(guān)具有多種優(yōu)勢(shì)，例如節(jié)省成本、提高效率、降低傳導(dǎo)損耗以及能夠制造更小的設(shè)備。

隨著雙向開關(guān)成為行業(yè)的支柱，這些優(yōu)勢(shì)只是冰山一角。特別是，雙向開關(guān)的一些強(qiáng)大的用例是電動(dòng)汽車、可再生能源發(fā)電、能源存儲(chǔ)、固態(tài)斷路器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等應(yīng)用。

在討論雙向開關(guān)的具體技術(shù)方面之前，了解一些與常見(jiàn)的傳統(tǒng)電源開關(guān)的比較會(huì)有所幫助。雙向開關(guān)可以被視為功率半導(dǎo)體開關(guān)發(fā)展的下一個(gè)邏輯步驟。

功率半導(dǎo)體開關(guān)的演變

當(dāng)然，當(dāng)今常用的兩種功率半導(dǎo)體開關(guān)類型是金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。

MOSFET 結(jié)合了電阻器和二極管，這是功率半導(dǎo)體發(fā)展的前兩個(gè)步驟。它還添加了一個(gè)開關(guān)，可以在電阻器和二極管操作模式之間進(jìn)行選擇。當(dāng)開關(guān)打開時(shí)，MOSFET 通過(guò)阻斷一個(gè)方向上的電壓并在另一個(gè)方向上像二極管一樣導(dǎo)通，從而起到二極管的作用。

當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，二極管被旁路，MOSFET 充當(dāng)電阻器。當(dāng)半導(dǎo)體充當(dāng)電阻器時(shí)，它可以快速打開和關(guān)閉，的限制是開關(guān)速度。MOSFET 中的開關(guān)內(nèi)置于器件表面并受電壓控制。

作為電阻器，MOSFET 的壓降由摻雜水平和 P 部分的厚度決定。較重的摻雜和較小的厚度提供較低的電壓降。然而，作為二極管，MOSFET 在開關(guān)打開時(shí)可阻斷的電壓（同時(shí)充當(dāng)反向偏置二極管）受到器件的摻雜水平和厚度的限制。

增加摻雜以降低電阻會(huì)導(dǎo)致阻斷電壓的能力降低。因此，MOSFET 的電阻和效率與其阻斷電壓的能力有關(guān)。能夠阻斷更高電壓的 MOSFET 也具有更高的電阻。

另一方面，IGBT 結(jié)構(gòu)在器件底部包含額外的摻雜層，這對(duì)其行為具有重大影響。當(dāng) IGBT 開關(guān)閉合時(shí)，器件的電阻下降，使其能夠傳導(dǎo)更高水平的電流，同時(shí)降低壓降。

本質(zhì)上，該器件的工作方式類似于正向偏置二極管，盡管二極管結(jié)對(duì)硅器件施加了大約 0.7 伏的壓降。開關(guān)會(huì)產(chǎn)生額外的壓降，該開關(guān)又內(nèi)置于設(shè)備表面。

與額定電壓相當(dāng)?shù)?MOSFET 相比，具有高電壓電平的 IGBT 可以在更低的壓降下傳導(dǎo)更高的電流。然而，這些更高的電流是有代價(jià)的。高壓 IGBT 的關(guān)斷速度比 MOSFET 慢得多。

IGBT 存在低通態(tài)壓降和關(guān)斷時(shí)間之間的固有沖突。較長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間會(huì)導(dǎo)致較高的開關(guān)損耗。因此，新型 IGBT 的持續(xù)開發(fā)重點(diǎn)是限度地減少傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗之間的權(quán)衡。

雙向開關(guān)

然而，新型雙向開關(guān)旨在解決上述 MOSFET、IGBT 和其他傳統(tǒng)電源解決方案所面臨的所有問(wèn)題。例如，Ideal Power的B-TRAN（雙向雙極結(jié)型晶體管）與IGBT具有相同的三層結(jié)構(gòu)，只不過(guò)每側(cè)都有一個(gè)控制開關(guān)。

雙向開關(guān)能夠阻斷正電壓和負(fù)電壓并在兩個(gè)方向傳導(dǎo)電流。就 B-TRAN 而言，它還可以用于單向應(yīng)用，例如電壓源逆變器或電池充電器。

MOSFET和IGBT是純單向功率半導(dǎo)體器件，不能用作雙向開關(guān)。在雙向應(yīng)用中使用這些傳統(tǒng)功率半導(dǎo)體器件需要兩個(gè) MOSFET 或兩個(gè) IGBT 和兩個(gè)二極管，它們必須以共發(fā)射極配置連接，從而使雙向功率轉(zhuǎn)換器所需的部件數(shù)量增加四倍。

然而，由于其雙向設(shè)計(jì)，雙向開關(guān)可以取代器件和二極管，所需的元件數(shù)量?jī)H為其四分之一。他們還將電路中所需的高壓開關(guān)數(shù)量減少了一半。

雙向開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)

雖然雙向開關(guān)明顯的優(yōu)勢(shì)是減少所需零件的數(shù)量，但這僅僅是開始。當(dāng)然，使用更少的部件意味著構(gòu)建任何需要雙向電源開關(guān)的應(yīng)用所需的成本更低。

此外，使用更少的零件使工程師能夠減小他們正在設(shè)計(jì)的任何東西的尺寸。多年來(lái)，電子設(shè)計(jì)的一個(gè)主要趨勢(shì)是縮小設(shè)備尺寸，而實(shí)現(xiàn)需要更少組件的雙向開關(guān)可以進(jìn)一步縮小設(shè)備尺寸。

然而，雙向電源開關(guān)的優(yōu)勢(shì)不僅僅在于降低成本和縮小器件尺寸。在近的一份白皮書中，Ideal Power 解釋了使用雙向電源開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)開關(guān)選項(xiàng)的工程師可以享受到的更多技術(shù)優(yōu)勢(shì)。雖然這些研究結(jié)果專門適用于該公司配備固態(tài)斷路器的 B-TRAN 應(yīng)用，但其他制造商未來(lái)的雙向電源開關(guān)解決方案也可能獲得類似的優(yōu)勢(shì)。

例如，與 B-TRAN 設(shè)備配對(duì)的斷路器可提供正向壓降和傳導(dǎo)特性，從而顯著降低功率損耗。與雙向 IGBT 固態(tài)斷路器模塊相比，B-TRAN 將壓降降低了四倍以上。當(dāng)負(fù)載電流為正時(shí)，基于 IGBT 的雙向開關(guān)記錄到電壓降為 2.75 伏，而 B-TRAN 斷路器的電壓降為 0.6 伏。

B-TRAN 交換機(jī)還減少了功率損耗。在 200 安培的負(fù)載電流下，該開關(guān)損失了約 150 瓦，而其他兩種類似解決方案的損失為 1100 瓦和 1500 瓦。

在矩陣轉(zhuǎn)換器中，B-TRAN 將所需開關(guān)器件的數(shù)量減少到 9 個(gè)，而需要 18 個(gè)碳化硅 MOSFET、硅 MOSFET 或反向阻斷 IGBT，或者使用帶有快速二極管的 IGBT 的 36 個(gè)器件。與傳統(tǒng)解決方案相比，B-TRAN 將功耗減少了 72% 至 78%。

例如，在三相 300 安培負(fù)載中，基于 IGBT 的雙向開關(guān)會(huì)損失 7000 至 9000 瓦的功率，而基于 B-TRAN 的系統(tǒng)會(huì)損失約 1900 瓦的功率。