前不久，納微半導體剛剛發布全球首款量產級的650V雙向GaNFast氮化鎵功率芯片。

在這款幾乎“理想”的雙向開關誕生之前，“兩級”變換幾乎成為了高壓功率應用的既定法則：先PFC后DC-DC，還要依賴龐大的 “直流鏈路” 電容器。電路設計師只能忍受體積龐大、損耗高、結構復雜且成本高昂的電路系統。

而現在，納微的雙向氮化鎵開關，能夠輕松實現雙向的電壓阻斷和雙向的電流導通，搭配獨家的IsoFast高速隔離驅動器，將兩級拓撲整合為高速、高效的單級，同時省去了龐大的電容與輸入電感，打造了電力電子的新范式。

01什么是雙向氮化鎵開關？

雙向GaNFast氮化鎵功率芯片功效上 = 兩個“背靠背”連接的氮化鎵功率開關。

但其物理結構實為尖端的單芯片設計（單片集成），通過合并漏極結構、雙柵極控制及集成受專利保護的有源基板鉗位技術，實現雙向開關的突破。

02高度集成，一顆更比四顆強

得益于高度集成和雙向特性，1顆高速、高效的雙向GaNFast氮化鎵功率芯片可替代最多4顆傳統硅基芯片，提高系統性能的同時減少外部元件的數量、PCB占位面積和系統成本 。

這意味著：

更高的系統效率

MHz級的轉換頻率

可靠性提升

簡化電路設計

減少無源器件成本

減少PCB面積

03單極拓撲 — 電力電子的終極方案

目前，超過70%的高壓功率變換器采用雙級拓撲，例如AC-DC變換器需先經PFC級，再經DC-DC級，并依賴笨重的直流母線電容緩沖，復雜的架構導致此類系統體積龐大、能效低下且成本高昂。

雙向GaNFast氮化鎵技術將兩級整合為單級高頻高效架構，徹底消除母線電容與輸入電感，成為電力電子的終極解決方案。

04單級轉換器典型應用案例

雙向GaNFast氮化鎵開關通過將交流輸入電壓直接轉換為校正和受控的交流或直流輸出電壓，推動拓撲結構升級。目標市場涵蓋電動汽車充電（車載充電機OBC及充電樁）、光伏逆變器、儲能系統和電機驅動。

05關鍵的“有源基板鉗位技術”

雙向氮化鎵器件需處理雙向電壓，因此需獨立柵極根據極性控制電流方向。為此，納微在硅襯底上生長 GaN/Al GaN外延層，形成2DEG導電溝道，器件結構包含兩個功率端子與兩個柵極。

然而，若僅采用該結構，硅襯底因與源極端子不相連而處于浮置狀態，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。

納微半導體專利的單片集成有源基板鉗位技術，可自動將基板連接至電勢最低的源極端，消除”背柵效應”，從而避免因基板電位失控導致的導通電阻。

自動檢測并連接對應源極至基板，實現最優性能、效率及可靠性

RSS(ON)低3倍， 溫升低15℃

06最佳輔助 - IsoFast高速驅動器

盡管雙向氮化鎵開關很強大，然而雙向的能量控制無法僅靠一顆功率器件完成，還需要一個專用驅動器來控制其兩個柵極，這兩個柵極必須能夠處理高瞬態條件、極高電壓隔離，并確保出色的信號完整性。在這種情況下，該器件能夠在超過5kV的電壓下工作，并可處理高達200V/ns的極端瞬變。

為此，納微半導體開發了專為氮化鎵/碳化硅器件的隔離與驅動優化設計的IsoFast雙通道數字隔離型氮化鎵驅動器。其瞬態抗擾度較現有驅動器提升4倍（最高達200V/ns），且無需外部負壓供電，可在高壓系統中實現可靠、快速、精準的功率控制。

07真實案例：太陽能微逆

紙上得來終覺淺，通過對比，我們能夠更好地了解雙向氮化鎵開關打造的單級變換的顯著優點。

下圖是一個采用兩級拓撲結構的傳統400W太陽能微型逆變器，其作用是將太陽能電池板的能量傳輸至儲能設備或電網。

能量首先經過DC-DC升壓變壓器，隨后通過400VDC母線將400V直流電轉換為交流電以并入電網。這種設計需要磁性元件、大容量電容以及多個開關元件。

接下來我們再來看看采用雙向氮化鎵開關的應用，下圖展示了一家領先的太陽能微型逆變器制造商正在采用的單級雙向氮化鎵開關方案。

該設計在顯著更小的外形尺寸下實現了更強的功率輸出（500W），省去了一個磁性元件，并減少了元件數量。這種拓撲結構將系統效率從96%提升至97.5%，同時將發電成本降低30%，從0.10美元/W降至0.07美元/W。

08雙向氮化鎵開關產品組合