BDS（雙向開關(guān)）自誕生之初，就肩負(fù)著顛覆功率半導(dǎo)體的使命，它使矩陣變換器 (Matrix Converter)、電流源逆變器（CSI）以及單級(jí)AC/DC變換器等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成為可能。然而，由于其在商業(yè)上難以實(shí)現(xiàn)，這項(xiàng)技術(shù)一直停留在學(xué)術(shù)層面。

不過今年開始，風(fēng)向徹底變了。今年APEC（北美電力電子展），多個(gè)芯片廠商展示了單片式BDS（M-BDS）產(chǎn)品：瑞薩最新推出的650V SuperGaN、瑞薩/Tranphorm的650 V GaN FQS、英飛凌的650V CoolGaN BDS、Navitas的650 V雙向GaNFast、Innoscience的30-120 V VGaN、Ideal Power的1200 V IGBT B-TRAN。意法半導(dǎo)體（ST）和德州儀器（TI）也在APEC上展示了正在前期生產(chǎn)階段的GaN BDS解決方案，目前正處于JEDEC資格測試的最后階段。

可以看出，雙向GaN開關(guān)（BD-GaN）已經(jīng)開啟了商業(yè)化的“元年”，功率半導(dǎo)體即將步入新時(shí)代。那么，BDS這項(xiàng)技術(shù)究竟有什么好處，哪些廠商在布局？今天EEWorld詳細(xì)盤點(diǎn)解析一下。

從單向到雙向，控制四種不同狀態(tài)

理想開關(guān)應(yīng)具備雙向特性：既能阻斷雙向電壓，又能導(dǎo)通雙向電流，同時(shí)具備極低的傳導(dǎo)損耗與動(dòng)態(tài)損耗、高效散熱能力及已實(shí)現(xiàn)高功率密度。

然而，傳統(tǒng)的MOSFET或IGBT單向開關(guān)（UDS）通常只具備正向?qū)ê头聪蚪刂沟哪芰Α１M管借助MOSFET的體二極管或IGBT的反并聯(lián)二極管能夠?qū)崿F(xiàn)第三象限的導(dǎo)通，但這種反向傳導(dǎo)過程缺乏柵極的控制能力。

若要實(shí)現(xiàn)可受控的雙向?qū)ǎ话阈枰獙蓚€(gè)傳統(tǒng)器件以背靠背（B2B）的方式連接，但這會(huì)使導(dǎo)通電阻RDS(on)增加一倍，因而必須并聯(lián)多個(gè)器件才能達(dá)到單向開關(guān)所具有的阻抗水平。與此同時(shí)，B2B會(huì)增加系統(tǒng)復(fù)雜度、占板面積和成本，并額外引入了導(dǎo)致開關(guān)性能和效率降低的寄生參數(shù)，更關(guān)鍵的是，傳統(tǒng)三端單相開關(guān)器件不具備獨(dú)立進(jìn)行雙向電流控制的靈活性，限制了其在先進(jìn)功率轉(zhuǎn)換拓?fù)渲械膽?yīng)用。

對更高功率密度、更高效率和更低系統(tǒng)成本的追求，使得這些挑戰(zhàn)變得愈發(fā)嚴(yán)峻。對于Vienna整流器、T型變換器和HERIC架構(gòu)等拓?fù)洌捎梅至⑵骷晨勘尺B接的傳統(tǒng)方案，已無法滿足持續(xù)演進(jìn)的市場需求。

BDS則是一種近乎理想的半導(dǎo)體開關(guān)：它不僅能在兩個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)阻斷，還配備了兩個(gè)柵極，可以非常精準(zhǔn)地分別控制每個(gè)通道的通斷，實(shí)現(xiàn)對兩種極性電壓和兩個(gè)方向電流的控制，因此非常適用于多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

BDS也不再只是控制“開”“關(guān)”兩種狀態(tài)，而是控制四種不同狀態(tài)：導(dǎo)通（兩個(gè)柵極均導(dǎo)通）、關(guān)斷（兩個(gè)柵極均關(guān)斷）、正向阻斷（柵極1導(dǎo)通、柵極2關(guān)斷，電流方向：漏極→源極）以及反向阻斷（柵極2導(dǎo)通、柵極1關(guān)斷，電流方向：源極→漏極）。

正因如此，業(yè)界也會(huì)把BDS叫“四象限開關(guān)”（FQS）。如下圖，這是英飛凌對于BDS四中狀態(tài)的解析：

此外，雙向開關(guān)還存在兩種配置方式：共源極和共漏極。在共源極拓?fù)渲校瑑蓚€(gè)柵極共享同一個(gè)局部地，因此可以使用單個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器；不過，這種拓?fù)涞膶?dǎo)通電阻RDS(on)較高。而在共漏極配置中，兩個(gè)器件共享漏極，需要兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器，但其RDS(on)較低，因而可能實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的解決方案。其中，共漏極配置是目前最主流的方式。

這種四象限性意味著控制也與傳統(tǒng)方法不同，例如在電流源逆變器（CSI）中使用四步換流序列實(shí)現(xiàn)安全換相，防止直流母線電感（Lbus）過壓和直流母線電容（Cf）過流。

BDS的價(jià)值在哪

那么，具體到應(yīng)用中，BDS到底有啥用？

第一，是實(shí)現(xiàn)單級(jí)拓?fù)涞墓夥孀兤鳌④囕d充電器（OBC）。典型的AC/DC電動(dòng)汽車OBC會(huì)先配置PFC級(jí)，再串聯(lián)DC/DC級(jí)，中間通過龐大的“直流母線”電容器緩沖來完成，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的問題在于系統(tǒng)體積龐大、損耗高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成本昂貴。BDS則可實(shí)現(xiàn)單級(jí)DC/AC變換，效率更高。

第二，是實(shí)現(xiàn)矩陣變換器（Matrix Converter）。矩陣變換器概念提出45年來，通過9個(gè)BDS器件連接三相端口即可實(shí)現(xiàn)電壓、頻率和功率因數(shù)調(diào)節(jié)。相比傳統(tǒng)變頻驅(qū)動(dòng)器（VFD）的AC-DC-AC兩級(jí)轉(zhuǎn)換方案，BDS方案能消除諧波干擾、實(shí)現(xiàn)能量回饋，同時(shí)省去笨重的DC-link電容。

第三，是替換B2B開關(guān)。在維也納整流器、T型變換器、HERIC逆變器中，B2B開關(guān)將直流中點(diǎn)回饋至交流側(cè)，用于輸入電感電流補(bǔ)償和諧波抑制，在使用單片式GaN BDS替換B2B后，既能減少元件數(shù)量，又可憑借快速開關(guān)特性縮小無源元件體積。

三相三電平T型變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中GaN BDS作為T支路的中性點(diǎn)開關(guān)使用，在雙極性條件下僅需承受直流輸出電壓的一半

第四，是電流源逆變器（CSI）。CSI的大電感具備天然過載保護(hù)能力，但需要雙向電壓阻斷開關(guān)。雖然CSI存在控制復(fù)雜等挑戰(zhàn)，但在大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)飛機(jī)和高壓直流輸電領(lǐng)域優(yōu)勢明顯。GaN BDS已成功應(yīng)用于CSI設(shè)計(jì)，在滿足雙向阻斷需求的同時(shí)，單向電流傳導(dǎo)特性可簡化柵極控制。

第五，是交流固態(tài)斷路器（SCCB）與電池隔離。AC SCCB要求器件具備雙向?qū)ā?qiáng)過壓耐受、低導(dǎo)通電阻、快速響應(yīng)(μs級(jí)故障清除)等特性。GaN BDS替代機(jī)械斷路器或MOSFET/IGBT反串聯(lián)組合，可減少芯片數(shù)量并提升效率。其無顯著Spirito效應(yīng)的特點(diǎn)，避免硅基器件安全工作區(qū)（SOA）受限的問題。手機(jī)/筆記本充電電路的電池隔離開關(guān)采用源極合并單柵極架構(gòu)，導(dǎo)通電阻可低于10mΩ。

GaN BDS，進(jìn)展最快

GaN M-BDS是目前雙向開關(guān)最成熟的領(lǐng)域：一是因?yàn)镚aN是唯一能夠在同一芯片上實(shí)現(xiàn)高壓雙向阻斷能力的半導(dǎo)體；二是GaN HEMT采用橫向結(jié)構(gòu)，所有端子均位于晶圓同一側(cè)，使其能夠在同一襯底上集成其他器件；三是基于Si襯底的GaN 器件與 CMOS 制造工藝兼容，可在大規(guī)模晶圓廠中以較低成本實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

GaN BDS的概念源于將兩個(gè)背靠背的單向GaN HEMT進(jìn)行單片集成，兩只單向GaN HEMT在共漏極結(jié)構(gòu)中的單片集成，其中每個(gè)HEMT的反向漂移區(qū)被合并為一個(gè)整體。

理想情況下，與背靠背串聯(lián)的GaN HEMT相比，GaN BDS只需使用四分之一的有效芯片面積即可實(shí)現(xiàn)等效的導(dǎo)通電阻，同時(shí)繼承了GaN HEMT技術(shù)的全部優(yōu)點(diǎn)，例如零反向恢復(fù)、卓越的開關(guān)速度與開關(guān)損耗表現(xiàn)等。

復(fù)盤GaN BDS的歷史：1957年晶閘管實(shí)現(xiàn)了雙向電壓阻斷但無法雙向?qū)娏鳎?958年三端雙向可控硅雖能處理雙向電流和電壓，但開關(guān)速度極慢（僅50/60 Hz）；1959年MOSFET帶來了數(shù)十至100 kHz的開關(guān)頻率，但其雙向版本僅限低功率應(yīng)用；1980年硅基IGBT支持更高功率，但單個(gè)器件仍無法同時(shí)兼顧雙向電壓和電流；寬禁帶半導(dǎo)體雖顯著提升了功率密度，初期仍不具備雙向能力；2007 年松下提出GaN BDS的概念，基于兩個(gè) GaN柵極注入晶體管（GIT）的共漏極配置；2019年起，隨著GaN BDS工程樣品的出現(xiàn)，相關(guān)研究活動(dòng)迅速升溫；2024年開始器件廠商陸續(xù)推出GaN BDS產(chǎn)品；2025年，Enphase Energy公司在其IQ9光伏微型逆變器中首次實(shí)現(xiàn)了GaN BDS的商業(yè)應(yīng)用。

GaN BDS，廠商的布局

目前，GaN BDS主要競爭在650V這一領(lǐng)域，由三個(gè)頭部廠商英飛凌、納微、瑞薩牽頭。

英飛凌

英飛凌在2024年就推出了CoolGaN雙向開關(guān)（BDS）系列產(chǎn)品，提供40 V、650 V和850 V電壓選項(xiàng)。2025年，繼續(xù)推出650V CoolGaN G5雙向開關(guān)（BDS），該產(chǎn)品采用共漏極設(shè)計(jì)和雙柵極結(jié)構(gòu)，是一款使用英飛凌強(qiáng)大柵極注入晶體管（GIT）技術(shù)和CoolGaN?技術(shù)的單片雙向開關(guān)，能夠有效替代轉(zhuǎn)換器中常用的傳統(tǒng)背靠背開關(guān)。緊接著，2025年11月，英飛凌就宣布CoolGaN雙向開關(guān)（BDS）被應(yīng)用于 Enphase Energy 的新一代 IQ9 系列微型逆變器中。

具體而言，650V CoolGaN G5采用650V雙向增強(qiáng)型晶體管采用共漏極配置，具備雙向阻斷能力、低柵極電荷、低輸出電荷、集成襯底電壓控制，并通過JEDEC標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，在跨溫度與頻率范圍內(nèi)導(dǎo)通電阻穩(wěn)定，可替代傳統(tǒng)的背對背開關(guān)配置。

其應(yīng)用價(jià)值體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)緊湊、高性價(jià)比、低導(dǎo)通損耗、設(shè)計(jì)簡化以及加速上市。在競爭優(yōu)勢方面，單個(gè)CoolGaN雙向開關(guān)即可替代傳統(tǒng)背對背配置所需的四個(gè)分立開關(guān)，顯著簡化轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，減少元器件數(shù)量，有效降低系統(tǒng)成本，其電路結(jié)構(gòu)相較傳統(tǒng)兩級(jí)式方案具備顯著優(yōu)勢。

納微

納微在2025年3月推出了業(yè)界首款650V雙向氮化鎵功率芯片NV6427與NV6428，典型導(dǎo)通電阻分別為50mΩ（對應(yīng)49A持續(xù)電流）與100mΩ（對應(yīng)25A持續(xù)電流），具備零反向恢復(fù)電荷特性，開關(guān)頻率最高達(dá)2MHz，采用頂部散熱的TOLT-16L封裝。

納微解析，為實(shí)現(xiàn)雙向電壓處理與極性依賴的電流流向控制，雙向氮化鎵開關(guān)需要設(shè)置獨(dú)立柵極，典型結(jié)構(gòu)是在硅襯底上生長GaN/AlGaN外延層以形成二維電子氣（2DEG）導(dǎo)電溝道，并包含兩個(gè)功率端子和兩個(gè)柵極。然而，若僅采用此結(jié)構(gòu)而未將硅襯底與源極連接，懸浮的襯底會(huì)導(dǎo)致電位累積，通過“背柵效應(yīng)”降低2DEG濃度，從而影響器件性能。為此，納微率先開發(fā)并推出了有源襯底鉗位技術(shù)，能夠以最低電位自主將硅襯底鉗位至源極，從而確保雙向氮化鎵開關(guān)穩(wěn)定運(yùn)行且電阻無漂移；得益于此，在眾多應(yīng)用場景中，該器件的工作溫度較無鉗位的同類方案低15°C。

此外，雙向氮化鎵開關(guān)需專用驅(qū)動(dòng)器控制雙柵極，該驅(qū)動(dòng)器需能應(yīng)對高瞬態(tài)條件、高電壓隔離并確保卓越的信號(hào)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(qū)動(dòng)器，專為適配雙向氮化鎵開關(guān)設(shè)計(jì)，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(hào)。

納微表示，單級(jí)雙向氮化鎵開關(guān)變換器省去了PFC級(jí)、電解電容和直流鏈路電容，天然支持軟開關(guān)，可充分發(fā)揮高頻優(yōu)勢并大幅縮小無源元件尺寸，最終實(shí)現(xiàn)功率密度提升30%、節(jié)能效率提升10%、成本降低10%。

以傳統(tǒng)400W兩級(jí)拓?fù)涮柲芪⑿湍孀兤鳛槔啾饶愁I(lǐng)先制造商采用單級(jí)雙向氮化鎵開關(guān)的方案：在功率提升至500W的同時(shí)，體積顯著縮小，省去1個(gè)磁性元件并減少整體元件數(shù)量，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(dá)30%。

瑞薩

今年APEC，瑞薩推出業(yè)界首款采用耗盡型（D-mode）氮化鎵（GaN）技術(shù)的雙向開關(guān)——TP65B110HRU：該產(chǎn)品能夠在單一器件中阻斷正負(fù)電流的功能。該款器件主要應(yīng)用于單級(jí)太陽能微型逆變器、人工智能（AI）數(shù)據(jù)中心和電動(dòng)汽車車載充電器等系統(tǒng)，可大幅簡化功率轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，以單個(gè)低損耗、高速開關(guān)且易驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品替代傳統(tǒng)背靠背FET開關(guān)。

TP65B110HRU 650V、110m?高電壓GaN BDS可在單個(gè)器件中同時(shí)阻斷正向和反向電流，與傳統(tǒng)單向硅基或碳化硅開關(guān)相比，能夠以更少的元器件實(shí)現(xiàn)更高效率的單級(jí)功率轉(zhuǎn)換。該器件減少了開關(guān)數(shù)量并省去了太陽能微型逆變器中的中間直流母線電容，根據(jù)美國加州能源委員會(huì)（CEC）標(biāo)準(zhǔn)，其功率轉(zhuǎn)換效率可達(dá)97.5%以上。

瑞薩特別強(qiáng)調(diào)這款產(chǎn)品在D-mode上的優(yōu)勢，其表示對于設(shè)計(jì)人員來說，只要使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器和簡單的柵極電阻，驅(qū)動(dòng)D-mode氮化鎵器件就和驅(qū)動(dòng)硅基MOSFET一樣簡單。 這與E-mode氮化鎵形成鮮明對比——后者需要額外元器件，不僅占用更多電路板空間，還會(huì)增加物料清單（BOM）成本和驅(qū)動(dòng)損耗。

瑞薩指出，E-mode GaN BDS的兩個(gè)柵極共用同一個(gè)襯底和緩沖層，高壓下會(huì)因寄生背柵效應(yīng)導(dǎo)致閾值電壓不穩(wěn)定，可能引發(fā)誤導(dǎo)通或電阻急劇上升。因此需要額外的襯底鉗位電路，但這會(huì)占用芯片面積、引入瞬態(tài)滯后，并限制器件的dv/dt，使設(shè)計(jì)者無法充分利用其低輸出電容和快速開關(guān)的優(yōu)勢。

相比之下，D-mode GaN BDS的閾值電壓由兩個(gè)物理隔離的硅MOSFET設(shè)定，各自獨(dú)立連接源極，無需襯底鉗位電路，因此不受背柵效應(yīng)影響，能在高壓下保持穩(wěn)定閾值，實(shí)現(xiàn)安全開關(guān)，具備低動(dòng)態(tài)導(dǎo)通電阻和超過100V/ns的dv/dt抗擾度，在軟開關(guān)、硬開關(guān)下均有優(yōu)異表現(xiàn)。

此外，D-mode BDS柵極驅(qū)動(dòng)更簡單：GaN芯片提供雙向高壓阻斷能力，低壓硅MOSFET提供隔離、3V高閾值和高魯棒性，兩者集成在同一封裝中，無需額外元件，可使用標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)器，柵極回路簡單，驅(qū)動(dòng)損耗低。

最后，D-mode BDS內(nèi)置低壓硅MOSFET的體二極管，在死區(qū)時(shí)間內(nèi)，體二極管以非常小的壓降（小于2V）導(dǎo)通電流，實(shí)現(xiàn)了最高的反向?qū)ㄐ省Ｔ诟唛_關(guān)頻率下，死區(qū)時(shí)間占開關(guān)周期的很大一部分，與E-mode解決方案相比，更低的壓降提高了效率——E-mode方案由于缺乏體二極管且需要負(fù)驅(qū)動(dòng)，其壓降更高（高達(dá)6V或更多）。在反向恢復(fù)方面，硅MOSFET的體二極管不會(huì)增加任何顯著的反向恢復(fù)電荷，因?yàn)樵揗OSFET是為低壓（30V）設(shè)計(jì)的，具有最低的電荷和電阻。實(shí)際上，是GaN芯片（具有低寄生電容且無少數(shù)載流子）承受高壓（650V及以上），具有零Qrr和最小的Qoss。

三條不同的路線

當(dāng)前，由于三個(gè)廠商選擇不同技術(shù)路線，因此GaN BDS形成了三條不同的路線，各有各的優(yōu)勢。引用“三代半食堂”一句話：“三條路線沒有絕對優(yōu)劣，各自在解決同一個(gè)問題（單器件雙向阻斷），但工程權(quán)衡不同。選單片還是 Cascode，取決于你的系統(tǒng)封裝約束、驅(qū)動(dòng)器生態(tài)和控制復(fù)雜度容忍度。“技術(shù)路線對比如下：

表格來源丨三代半食堂

BDS，不止于GaN

盡管大部分討論很自然地涉及GaN MBDS，但實(shí)際上，廠商也一直在就硅（Si）和碳化硅（SiC）BDS進(jìn)行研究。

今年APEC上，一些廠商表示，雖然是GaN推進(jìn)了BDS市場，但硅確實(shí)能夠在這個(gè)領(lǐng)域占據(jù)強(qiáng)勢地位，可能進(jìn)一步加速BDS的采用。由于晶圓缺陷，目前GaN和SiC的電流輸出能力不及Si芯片。硅的技術(shù)成熟度使制造商能夠以不錯(cuò)的良率制造相對較大的芯片尺寸以及相應(yīng)的高電流額定值。

而對于SiC BDS，50 mΩ和25 mΩ的SiC BDS器件已在近期路線圖之中，不過即便是這些規(guī)格，對于最高功率等級(jí)的應(yīng)用而言，可能仍需要采用并聯(lián)方式。

也有廠商認(rèn)為，與其等待單片式SiC BDS，不如使用B2B（背靠背）SiC，因?yàn)榈蚏DS(on)的B2B封裝SiC已經(jīng)逐漸成熟。英飛凌此前就曾表示，設(shè)計(jì)評(píng)估GaN BDS時(shí)，需將其與傳統(tǒng)B2B結(jié)構(gòu)而非單個(gè)單向開關(guān)進(jìn)行對比。

不同技術(shù)（GaN、Si和SiC）下的雙向開關(guān)與單向開關(guān)B2B配置的FOM對比

總結(jié)

在今年APEC的一場論壇上，廠商發(fā)起了一項(xiàng)預(yù)測：BDS是否能在五年內(nèi)達(dá)到10億美元市場規(guī)模？結(jié)果顯示，44%的聽眾認(rèn)同，56%較為謹(jǐn)慎。隨著英飛凌、納微、瑞薩三家廠商的GaN BDS器件實(shí)現(xiàn)商業(yè)化上市，預(yù)計(jì)今年底前還將推出至少兩款產(chǎn)品，該領(lǐng)域的火熱程度可見一斑。

另有傳聞稱，900V器件有望在今年晚些時(shí)候面世，1.2kV技術(shù)也將在未來幾年逐步成熟。

參考文獻(xiàn)

[1]Power Electronics News：https://www.powerelectronicsnews.com/apec-2026-year-zero-of-practical-commercially-available-bds/

[2]寬禁帶聯(lián)盟：https://www.toutiao.com/article/7602809857179189795/

[3]J. Liu et al., "GaN Bidirectional Switches: Device Technology, Applications, and Future Prospects," in IEEE Transactions on Power Electronics, doi: 10.1109/TPEL.2025.3632866.

[4]浮思特：https://mp.weixin.qq.com/s/ySodmEAg4D_mexdONVd-jA

[5]三代半食堂：https://mp.weixin.qq.com/s/SbaDJWS8RtwhGZAVcrwlIA

[6]英飛凌：氮化鎵雙向開關(guān)推動(dòng)電力電子技術(shù)變革

[7]納微：雙向氮化鎵開關(guān)搭配IsoFast高速驅(qū)動(dòng)器打造單級(jí)變換新范式，有效縮減系統(tǒng)體積、成本及復(fù)雜度

[8]瑞薩：https://www.renesas.cn/zh/blogs/revolutionize-power-design-gan-bidirectional-switches

[9]瑞薩：https://www.renesas.cn/zh/about/newsroom/renesas-unveils-first-bidirectional-650v-class-gan-switch-solar-power-inverters-ai-data-centers-and

[10]瑞薩：https://www.renesas.cn/zh/document/whp/high-voltage-gan-bi-directional-switches-strong-performance-simpler-use?r=25611646

[11]三代半食堂：https://mp.weixin.qq.com/s/zcdzPM5XlHTA8QoxRWr6xw

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