双向开关比传统电源开关具有多种优势，可能成为行业标准？

时间： 2024-03-15 来源：TOPPOWER官网

技术问答

双向开关比传统电源开关具有优势，并可能成为行业标准。

一个多世纪以来，工程师和科学家一直在开发更先进的半导体功率开关，旨在改善各种设备的功能。传统的电源开关通常是单向的，因此需要至少两个单独的开关来打开或关闭这些设备并阻止任一方向或两个方向的电压或电流。

双向开关的用例

技术的新进步促进了双向开关的开发，能够处理两个方向的打开和关闭位置。与传统电源开关相比，这些双向开关具有多种优势，例如节省成本、提高效率、降低传导损耗以及能够制造更小的设备。

随着双向开关成为行业的支柱，这些优势只是冰山一角。特别是，双向开关的一些强大的用例是电动汽车、可再生能源发电、能源存储、固态断路器和电机驱动等应用。

在讨论双向开关的具体技术方面之前，了解一些与常见的传统电源开关的比较会有所帮助。双向开关可以被视为功率半导体开关发展的下一个逻辑步骤。

功率半导体开关的演变

当然，当今常用的两种功率半导体开关类型是金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）和绝缘栅双极晶体管（IGBT）。

MOSFET结合了电阻器和二极管，这是功率半导体发展的前两个步骤。它还添加了一个开关，可以在电阻器和二极管操作模式之间进行选择。当开关打开时，MOSFET通过阻断一个方向上的电压并在另一个方向上像二极管一样导通，从而起到二极管的作用。

当开关闭合时，二极管被旁路，MOSFET充当电阻器。当半导体充当电阻器时，它可以快速打开和关闭，的限制是开关速度。MOSFET中的开关内置于器件表面并受电压控制。

作为电阻器，MOSFET的压降由掺杂水平和P部分的厚度决定。较重的掺杂和较小的厚度提供较低的电压降。然而，作为二极管，MOSFET在开关打开时可阻断的电压（同时充当反向偏置二极管）受到器件的掺杂水平和厚度的限制。

增加掺杂以降低电阻会导致阻断电压的能力降低。因此，MOSFET的电阻和效率与其阻断电压的能力有关。能够阻断更高电压的MOSFET也具有更高的电阻。

另一方面，IGBT结构在器件底部包含额外的掺杂层，这对其行为具有重大影响。当IGBT开关闭合时，器件的电阻下降，使其能够传导更高水平的电流，同时降低压降。

本质上，该器件的工作方式类似于正向偏置二极管，尽管二极管结对硅器件施加了大约0.7伏的压降。开关会产生额外的压降，该开关又内置于设备表面。

与额定电压相当的MOSFET相比，具有高电压电平的IGBT可以在更低的压降下传导更高的电流。然而，这些更高的电流是有代价的。高压IGBT的关断速度比MOSFET慢得多。

IGBT存在低通态压降和关断时间之间的固有冲突。较长的关断时间会导致较高的开关损耗。因此，新型IGBT的持续开发重点是限度地减少传导损耗和开关损耗之间的权衡。

双向开关

然而，新型双向开关旨在解决上述MOSFET、IGBT和其他传统电源解决方案所面临的所有问题。例如，Ideal Power的B-TRAN（双向双极结型晶体管）与IGBT具有相同的三层结构，只不过每侧都有一个控制开关。

双向开关能够阻断正电压和负电压并在两个方向传导电流。就B-TRAN而言，它还可以用于单向应用，例如电压源逆变器或电池充电器。

MOSFET和IGBT是纯单向功率半导体器件，不能用作双向开关。在双向应用中使用这些传统功率半导体器件需要两个MOSFET或两个IGBT和两个二极管，它们必须以共发射极配置连接，从而使双向功率转换器所需的部件数量增加四倍。

然而，由于其双向设计，双向开关可以取代器件和二极管，所需的元件数量仅为其四分之一。他们还将电路中所需的高压开关数量减少了一半。

双向开关的优点

虽然双向开关明显的优势是减少所需零件的数量，但这仅仅是开始。当然，使用更少的部件意味着构建任何需要双向电源开关的应用所需的成本更低。

此外，使用更少的零件使工程师能够减小他们正在设计的任何东西的尺寸。多年来，电子设计的一个主要趋势是缩小设备尺寸，而实现需要更少组件的双向开关可以进一步缩小设备尺寸。

然而，双向电源开关的优势不仅仅在于降低成本和缩小器件尺寸。在近的一份白皮书中，Ideal Power解释了使用双向电源开关代替传统开关选项的工程师可以享受到的更多技术优势。虽然这些研究结果专门适用于该公司配备固态断路器的B-TRAN应用，但其他制造商未来的双向电源开关解决方案也可能获得类似的优势。

例如，与B-TRAN设备配对的断路器可提供正向压降和传导特性，从而显着降低功率损耗。与双向IGBT固态断路器模块相比，B-TRAN将压降降低了四倍以上。当负载电流为正时，基于IGBT的双向开关记录到电压降为2.75伏，而B-TRAN断路器的电压降为0.6伏。

B-TRAN交换机还减少了功率损耗。在200安培的负载电流下，该开关损失了约150瓦，而其他两种类似解决方案的损失为1100瓦和1500瓦。

在矩阵转换器中，B-TRAN将所需开关器件的数量减少到9个，而需要18个碳化硅MOSFET、硅MOSFET或反向阻断IGBT，或者使用带有快速二极管的IGBT的36个器件。与传统解决方案相比，B-TRAN将功耗减少了72%至78%。

例如，在三相300安培负载中，基于IGBT的双向开关会损失7000至9000瓦的功率，而基于B-TRAN的系统会损失约1900瓦的功率。

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