雙向開關比傳統(tǒng)電源開關具有優(yōu)勢，并可能成為行業(yè)標準。

一個多世紀以來，工程師和科學家一直在開發(fā)更先進的半導體功率開關，旨在改善各種設備的功能。傳統(tǒng)的電源開關通常是單向的，因此需要至少兩個單獨的開關來打開或關閉這些設備并阻止任一方向或兩個方向的電壓或電流。

雙向開關的用例

技術的新進步促進了雙向開關的開發(fā)，能夠處理兩個方向的打開和關閉位置。與傳統(tǒng)電源開關相比，這些雙向開關具有多種優(yōu)勢，例如節(jié)省成本、提高效率、降低傳導損耗以及能夠制造更小的設備。

隨著雙向開關成為行業(yè)的支柱，這些優(yōu)勢只是冰山一角。特別是，雙向開關的一些強大的用例是電動汽車、可再生能源發(fā)電、能源存儲、固態(tài)斷路器和電機驅動等應用。

在討論雙向開關的具體技術方面之前，了解一些與常見的傳統(tǒng)電源開關的比較會有所幫助。雙向開關可以被視為功率半導體開關發(fā)展的下一個邏輯步驟。

功率半導體開關的演變

當然，當今常用的兩種功率半導體開關類型是金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）。

MOSFET 結合了電阻器和二極管，這是功率半導體發(fā)展的前兩個步驟。它還添加了一個開關，可以在電阻器和二極管操作模式之間進行選擇。當開關打開時，MOSFET 通過阻斷一個方向上的電壓并在另一個方向上像二極管一樣導通，從而起到二極管的作用。

當開關閉合時，二極管被旁路，MOSFET 充當電阻器。當半導體充當電阻器時，它可以快速打開和關閉，的限制是開關速度。MOSFET 中的開關內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 在開關打開時可阻斷的電壓（同時充當反向偏置二極管）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導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。能夠阻斷更高電壓的 MOSFET 也具有更高的電阻。

另一方面，IGBT 結構在器件底部包含額外的摻雜層，這對其行為具有重大影響。當 IGBT 開關閉合時，器件的電阻下降，使其能夠傳導更高水平的電流，同時降低壓降。

本質上，該器件的工作方式類似于正向偏置二極管，盡管二極管結對硅器件施加了大約 0.7 伏的壓降。開關會產生額外的壓降，該開關又內置于設備表面。

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

IGBT 存在低通態(tài)壓降和關斷時間之間的固有沖突。較長的關斷時間會導致較高的開關損耗。因此，新型 IGBT 的持續(xù)開發(fā)重點是限度地減少傳導損耗和開關損耗之間的權衡。

雙向開關

然而，新型雙向開關旨在解決上述 MOSFET、IGBT 和其他傳統(tǒng)電源解決方案所面臨的所有問題。例如，Ideal Power的B-TRAN（雙向雙極結型晶體管）與IGBT具有相同的三層結構，只不過每側都有一個控制開關。

雙向開關能夠阻斷正電壓和負電壓并在兩個方向傳導電流。就 B-TRAN 而言，它還可以用于單向應用，例如電壓源逆變器或電池充電器。

MOSFET和IGBT是純單向功率半導體器件，不能用作雙向開關。在雙向應用中使用這些傳統(tǒng)功率半導體器件需要兩個 MOSFET 或兩個 IGBT 和兩個二極管，它們必須以共發(fā)射極配置連接，從而使雙向功率轉換器所需的部件數(shù)量增加四倍。

然而，由于其雙向設計，雙向開關可以取代器件和二極管，所需的元件數(shù)量僅為其四分之一。他們還將電路中所需的高壓開關數(shù)量減少了一半。

雙向開關的優(yōu)點

雖然雙向開關明顯的優(yōu)勢是減少所需零件的數(shù)量，但這僅僅是開始。當然，使用更少的部件意味著構建任何需要雙向電源開關的應用所需的成本更低。

此外，使用更少的零件使工程師能夠減小他們正在設計的任何東西的尺寸。多年來，電子設計的一個主要趨勢是縮小設備尺寸，而實現(xiàn)需要更少組件的雙向開關可以進一步縮小設備尺寸。

然而，雙向電源開關的優(yōu)勢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代替?zhèn)鹘y(tǒng)開關選項的工程師可以享受到的更多技術優(yōu)勢。雖然這些研究結果專門適用于該公司配備固態(tài)斷路器的 B-TRAN 應用，但其他制造商未來的雙向電源開關解決方案也可能獲得類似的優(yōu)勢。

例如，與 B-TRAN 設備配對的斷路器可提供正向壓降和傳導特性，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。當負載電流為正時，基于 IGBT 的雙向開關記錄到電壓降為 2.75 伏，而 B-TRAN 斷路器的電壓降為 0.6 伏。

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

在矩陣轉換器中，B-TRAN 將所需開關器件的數(shù)量減少到 9 個，而需要 18 個碳化硅 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 安培負載中，基于 IGBT 的雙向開關會損失 7000 至 9000 瓦的功率，而基于 B-TRAN 的系統(tǒng)會損失約 1900 瓦的功率。