功率半導體的風向變了：BDS五年內能否撬動十億美元市場？

BDS（雙向開關）自誕生之初，就肩負著顛覆功率半導體的使命，它使矩陣變換器 (Matrix Converter)、電流源逆變器（CSI）以及單級AC/DC變換器等拓撲結構成為可能。然而，由于其在商業上難以實現，這項技術一直停留在學術層面。

不過今年開始，風向徹底變了。今年APEC（北美電力電子展），多個芯片廠商展示了單片式BDS（M-BDS）產品：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。意法半導體（ST）和德州儀器（TI）也在APEC上展示了正在前期生產階段的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（BD-GaN）已經開啟了商業化的“元年”，功率半導體即將步入新時代。那么，BDS這項技術究竟有什么好處，哪些廠商在布局？今天EEWorld詳細盤點解析一下。

從單向到雙向，控制四種不同狀態

理想開關應具備雙向特性：既能阻斷雙向電壓，又能導通雙向電流，同時具備極低的傳導損耗與動態損耗、高效散熱能力及已實現高功率密度。

然而，傳統的MOSFET或IGBT單向開關（UDS）通常只具備正向導通和反向截止的能力。盡管借助MOSFET的體二極管或IGBT的反并聯二極管能夠實現第三象限的導通，但這種反向傳導過程缺乏柵極的控制能力。

若要實現可受控的雙向導通，一般需要將兩個傳統器件以背靠背（B2B）的方式連接，但這會使導通電阻RDS(on)增加一倍，因而必須并聯多個器件才能達到單向開關所具有的阻抗水平。與此同時，B2B會增加系統復雜度、占板面積和成本，并額外引入了導致開關性能和效率降低的寄生參數，更關鍵的是，傳統三端單相開關器件不具備獨立進行雙向電流控制的靈活性，限制了其在先進功率轉換拓撲中的應用。

對更高功率密度、更高效率和更低系統成本的追求，使得這些挑戰變得愈發嚴峻。對于Vienna整流器、T型變換器和HERIC架構等拓撲，采用分立器件背靠背連接的傳統方案，已無法滿足持續演進的市場需求。

BDS則是一種近乎理想的半導體開關：它不僅能在兩個方向上實現阻斷，還配備了兩個柵極，可以非常精準地分別控制每個通道的通斷，實現對兩種極性電壓和兩個方向電流的控制，因此非常適用于多種拓撲結構。

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

正因如此，業界也會把BDS叫“四象限開關”（FQS）。如下圖，這是英飛凌對于BDS四中狀態的解析：

此外，雙向開關還存在兩種配置方式：共源極和共漏極。在共源極拓撲中，兩個柵極共享同一個局部地，因此可以使用單個柵極驅動器；不過，這種拓撲的導通電阻RDS(on)較高。而在共漏極配置中，兩個器件共享漏極，需要兩個柵極驅動器，但其RDS(on)較低，因而可能實現更優的解決方案。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方法不同，例如在電流源逆變器（CSI）中使用四步換流序列實現安全換相，防止直流母線電感（Lbus）過壓和直流母線電容（Cf）過流。

BDS的價值在哪

那么，具體到應用中，BDS到底有啥用？

第一，是實現單級拓撲的光伏逆變器、車載充電器（OBC）。典型的AC/DC電動汽車OBC會先配置PFC級，再串聯DC/DC級，中間通過龐大的“直流母線”電容器緩沖來完成，這種拓撲結構的問題在于系統體積龐大、損耗高、結構復雜且成本昂貴。BDS則可實現單級DC/AC變換，效率更高。

第二，是實現矩陣變換器（Matrix Converter）。矩陣變換器概念提出45年來，通過9個BDS器件連接三相端口即可實現電壓、頻率和功率因數調節。相比傳統變頻驅動器（VFD）的AC-DC-AC兩級轉換方案，BDS方案能消除諧波干擾、實現能量回饋，同時省去笨重的DC-link電容。

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

三相三電平T型變換器的拓撲結構，其中GaN BDS作為T支路的中性點開關使用，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能力，但需要雙向電壓阻斷開關。雖然CSI存在控制復雜等挑戰，但在大功率電機驅動、電動飛機和高壓直流輸電領域優勢明顯。GaN BDS已成功應用于CSI設計，在滿足雙向阻斷需求的同時，單向電流傳導特性可簡化柵極控制。

第五，是交流固態斷路器（SCCB）與電池隔離。AC SCCB要求器件具備雙向導通、強過壓耐受、低導通電阻、快速響應(μs級故障清除)等特性。GaN BDS替代機械斷路器或MOSFET/IGBT反串聯組合，可減少芯片數量并提升效率。其無顯著Spirito效應的特點，避免硅基器件安全工作區（SOA）受限的問題。手機/筆記本充電電路的電池隔離開關采用源極合并單柵極架構，導通電阻可低于10mΩ。

GaN BDS，進展最快

GaN M-BDS是目前雙向開關最成熟的領域：一是因為GaN是唯一能夠在同一芯片上實現高壓雙向阻斷能力的半導體；二是GaN HEMT采用橫向結構，所有端子均位于晶圓同一側，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，可在大規模晶圓廠中以較低成本實現量產。

GaN BDS的概念源于將兩個背靠背的單向GaN HEMT進行單片集成，兩只單向GaN HEMT在共漏極結構中的單片集成，其中每個HEMT的反向漂移區被合并為一個整體。

理想情況下，與背靠背串聯的GaN HEMT相比，GaN BDS只需使用四分之一的有效芯片面積即可實現等效的導通電阻，同時繼承了GaN HEMT技術的全部優點，例如零反向恢復、卓越的開關速度與開關損耗表現等。

復盤GaN BDS的歷史：1957年晶閘管實現了雙向電壓阻斷但無法雙向導通電流；1958年三端雙向可控硅雖能處理雙向電流和電壓，但開關速度極慢（僅50/60 Hz）；1959年MOSFET帶來了數十至100 kHz的開關頻率，但其雙向版本僅限低功率應用；1980年硅基IGBT支持更高功率，但單個器件仍無法同時兼顧雙向電壓和電流；寬禁帶半導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 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，相關研究活動迅速升溫；2024年開始器件廠商陸續推出GaN BDS產品；2025年，Enphase Energy公司在其IQ9光伏微型逆變器中首次實現了GaN BDS的商業應用。

GaN BDS，廠商的布局

目前，GaN BDS主要競爭在650V這一領域，由三個頭部廠商英飛凌、納微、瑞薩牽頭。

英飛凌

英飛凌在2024年就推出了CoolGaN雙向開關（BDS）系列產品，提供40 V、650 V和850 V電壓選項。2025年，繼續推出650V CoolGaN G5雙向開關（BDS），該產品采用共漏極設計和雙柵極結構，是一款使用英飛凌強大柵極注入晶體管（GIT）技術和CoolGaN?技術的單片雙向開關，能夠有效替代轉換器中常用的傳統背靠背開關。緊接著，2025年11月，英飛凌就宣布CoolGaN雙向開關（BDS）被應用于 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標準認證，在跨溫度與頻率范圍內導通電阻穩定，可替代傳統的背對背開關配置。

其應用價值體現在結構緊湊、高性價比、低導通損耗、設計簡化以及加速上市。在競爭優勢方面，單個CoolGaN雙向開關即可替代傳統背對背配置所需的四個分立開關，顯著簡化轉換器設計，減少元器件數量，有效降低系統成本，其電路結構相較傳統兩級式方案具備顯著優勢。

納微

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

納微解析，為實現雙向電壓處理與極性依賴的電流流向控制，雙向氮化鎵開關需要設置獨立柵極，典型結構是在硅襯底上生長GaN/AlGaN外延層以形成二維電子氣（2DEG）導電溝道，并包含兩個功率端子和兩個柵極。然而，若僅采用此結構而未將硅襯底與源極連接，懸浮的襯底會導致電位累積，通過“背柵效應”降低2DEG濃度，從而影響器件性能。為此，納微率先開發并推出了有源襯底鉗位技術，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穩定運行且電阻無漂移；得益于此，在眾多應用場景中，該器件的工作溫度較無鉗位的同類方案低15°C。

此外，雙向氮化鎵開關需專用驅動器控制雙柵極，該驅動器需能應對高瞬態條件、高電壓隔離并確保卓越的信號完整性，支持5kV以上工作電壓及200V/ns的極端瞬態變化。為此，納微開發了IsoFast高速隔離型氮化鎵驅動器，專為適配雙向氮化鎵開關設計，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。

納微表示，單級雙向氮化鎵開關變換器省去了PFC級、電解電容和直流鏈路電容，天然支持軟開關，可充分發揮高頻優勢并大幅縮小無源元件尺寸，最終實現功率密度提升30%、節能效率提升10%、成本降低10%。

以傳統400W兩級拓撲太陽能微型逆變器為例，相比某領先制造商采用單級雙向氮化鎵開關的方案：在功率提升至500W的同時，體積顯著縮小，省去1個磁性元件并減少整體元件數量，系統效率從96%提升至97.5%，發電成本從0.10美元/瓦降至0.07美元/瓦，降幅達30%。

瑞薩

今年APEC，瑞薩推出業界首款采用耗盡型（D-mode）氮化鎵（GaN）技術的雙向開關——TP65B110HRU：該產品能夠在單一器件中阻斷正負電流的功能。該款器件主要應用于單級太陽能微型逆變器、人工智能（AI）數據中心和電動汽車車載充電器等系統，可大幅簡化功率轉換器設計，以單個低損耗、高速開關且易驅動的產品替代傳統背靠背FET開關。

TP65B110HRU 650V、110m?高電壓GaN BDS可在單個器件中同時阻斷正向和反向電流，與傳統單向硅基或碳化硅開關相比，能夠以更少的元器件實現更高效率的單級功率轉換。該器件減少了開關數量并省去了太陽能微型逆變器中的中間直流母線電容，根據美國加州能源委員會（CEC）標準，其功率轉換效率可達97.5%以上。

瑞薩特別強調這款產品在D-mode上的優勢，其表示對于設計人員來說，只要使用標準驅動器和簡單的柵極電阻，驅動D-mode氮化鎵器件就和驅動硅基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，還會增加物料清單（BOM）成本和驅動損耗。

瑞薩指出，E-mode GaN BDS的兩個柵極共用同一個襯底和緩沖層，高壓下會因寄生背柵效應導致閾值電壓不穩定，可能引發誤導通或電阻急劇上升。因此需要額外的襯底鉗位電路，但這會占用芯片面積、引入瞬態滯后，并限制器件的dv/dt，使設計者無法充分利用其低輸出電容和快速開關的優勢。

相比之下，D-mode GaN BDS的閾值電壓由兩個物理隔離的硅MOSFET設定，各自獨立連接源極，無需襯底鉗位電路，因此不受背柵效應影響，能在高壓下保持穩定閾值，實現安全開關，具備低動態導通電阻和超過100V/ns的dv/dt抗擾度，在軟開關、硬開關下均有優異表現。

此外，D-mode BDS柵極驅動更簡單：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，可使用標準驅動器，柵極回路簡單，驅動損耗低。

最后，D-mode BDS內置低壓硅MOSFET的體二極管，在死區時間內，體二極管以非常小的壓降（小于2V）導通電流，實現了最高的反向導通效率。在高開關頻率下，死區時間占開關周期的很大一部分，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驅動，其壓降更高（高達6V或更多）。在反向恢復方面，硅MOSFET的體二極管不會增加任何顯著的反向恢復電荷，因為該MOSFET是為低壓（30V）設計的，具有最低的電荷和電阻。實際上，是GaN芯片（具有低寄生電容且無少數載流子）承受高壓（650V及以上），具有零Qrr和最小的Qoss。

三條不同的路線

當前，由于三個廠商選擇不同技術路線，因此GaN BDS形成了三條不同的路線，各有各的優勢。引用“三代半食堂”一句話：“三條路線沒有絕對優劣，各自在解決同一個問題（單器件雙向阻斷），但工程權衡不同。選單片還是 Cascode，取決于你的系統封裝約束、驅動器生態和控制復雜度容忍度。“技術路線對比如下：

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，但實際上，廠商也一直在就硅（Si）和碳化硅（SiC）BDS進行研究。

今年APEC上，一些廠商表示，雖然是GaN推進了BDS市場，但硅確實能夠在這個領域占據強勢地位，可能進一步加速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。硅的技術成熟度使制造商能夠以不錯的良率制造相對較大的芯片尺寸以及相應的高電流額定值。

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

也有廠商認為，與其等待單片式SiC BDS，不如使用B2B（背靠背）SiC，因為低RDS(on)的B2B封裝SiC已經逐漸成熟。英飛凌此前就曾表示，設計評估GaN BDS時，需將其與傳統B2B結構而非單個單向開關進行對比。

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

總結

在今年APEC的一場論壇上，廠商發起了一項預測：BDS是否能在五年內達到10億美元市場規模？結果顯示，44%的聽眾認同，56%較為謹慎。隨著英飛凌、納微、瑞薩三家廠商的GaN BDS器件實現商業化上市，預計今年底前還將推出至少兩款產品，該領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候面世，1.2kV技術也將在未來幾年逐步成熟。

參考文獻

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

[2]寬禁帶聯盟：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：氮化鎵雙向開關推動電力電子技術變革

[7]納微：雙向氮化鎵開關搭配IsoFast高速驅動器打造單級變換新范式，有效縮減系統體積、成本及復雜度

[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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