Die Trends im Leistungshalbleiterbereich haben sich gewandelt: Kann BDS innerhalb von fünf Jahren einen Markt von einer Milliarde US-Dollar erschließen?

BDS (Bidirektionaler Schalter) hat seit seiner Entstehung die Mission übernommen, die Leistungshalbleiterbranche zu revolutionieren. Es macht Topologien wie Matrixwandler (Matrix Converter), Stromquelleninverter (CSI) und einstufige AC/DC-Wandler möglich. Allerdings blieb diese Technologie aufgrund ihrer schwierigen kommerziellen Umsetzung bisher auf akademischer Ebene.

Dieses Jahr hat sich die Situation jedoch grundlegend gewandelt. Auf der diesjährigen APEC (North American Power Electronics Conference) haben mehrere Chiphersteller monolithische BDS (M-BDS)-Produkte vorgestellt: die neueste 650-V-SuperGaN von Renesas, die 650-V-GaN FQS von Renesas/Tranphorm, die 650-V-CoolGaN BDS von Infineon, die 650-V-bidirektionale GaNFast von Navitas, die 30 - 120-V-VGaN von Innoscience und die 1200-V-IGBT B-TRAN von Ideal Power. STMicroelectronics (ST) und Texas Instruments (TI) haben ebenfalls auf der APEC GaN-BDS-Lösungen in der Vorproduktionsphase gezeigt, die sich derzeit in der letzten Phase der JEDEC-Zulassungsprüfung befinden.

Es ist ersichtlich, dass die bidirektionalen GaN-Schalter (BD-GaN) das "Jahr Null" der Kommerzialisierung eröffnet haben, und die Leistungshalbleiterbranche steht kurz vor einem neuen Zeitalter. Was bringt die BDS-Technologie genau mit sich, und welche Hersteller setzen darauf ein? Heute führt EEWorld eine detaillierte Analyse durch.

Von einseitig auf bidirektional: Steuerung von vier verschiedenen Zuständen

Ein idealer Schalter sollte bidirektionale Eigenschaften aufweisen: er sollte sowohl bidirektionale Spannungen blockieren als auch bidirektionale Ströme leiten können, zugleich über extrem niedrige Leitungsverluste und dynamische Verluste, eine effiziente Wärmeableitung und eine hohe Leistungsdichte verfügen.

Allerdings verfügen herkömmliche MOSFET- oder IGBT-Einwegschalter (UDS) normalerweise nur über die Fähigkeit, in Vorwärtsrichtung zu leiten und in Rückwärtsrichtung zu sperren. Obwohl mit Hilfe der Body-Diode des MOSFETs oder der antiparallelen Diode des IGBTs ein Leitungsvorgang im dritten Quadranten möglich ist, fehlt bei diesem Rückwärtsleitvorgang die Steuerfähigkeit über das Gate.

Um eine steuerbare bidirektionale Leitung zu erreichen, müssen normalerweise zwei herkömmliche Bauelemente rückseitig an rückseitig (B2B) verbunden werden. Dies verdoppelt jedoch den Einschaltwiderstand RDS(on), sodass mehrere Bauelemente parallel geschaltet werden müssen, um das gleiche Impedanzniveau wie bei einem Einwegschalter zu erreichen. Gleichzeitig erhöht die B2B-Konfiguration die Systemkomplexität, die Platinenfläche und die Kosten und führt zusätzliche parasitäre Parameter ein, die die Schaltleistung und -effizienz verringern. Am wichtigsten ist jedoch, dass herkömmliche dreipolige Einphasen-Schalterbauelemente nicht die Flexibilität zur unabhängigen Steuerung bidirektionaler Ströme haben, was ihre Anwendung in fortschrittlichen Leistungswandlertopologien einschränkt.

Der Wunsch nach höherer Leistungsdichte, höherer Effizienz und geringeren Systemkosten macht diese Herausforderungen noch schwieriger. Bei Topologien wie dem Vienna-Rectifier, T-Typ-Wandler und HERIC-Architektur kann die herkömmliche Lösung mit diskreten Bauelementen in B2B-Konfiguration die sich ständig entwickelnden Marktansprüche nicht mehr erfüllen.

Der BDS ist ein nahezu idealer Halbleiterschalter: Er kann nicht nur in beiden Richtungen blockieren, sondern verfügt auch über zwei Gates, mit denen jeder Kanal sehr präzise ein- und ausgeschaltet werden kann, um Spannungen beider Polaritäten und Ströme in beiden Richtungen zu steuern. Daher eignet er sich sehr gut für verschiedene Topologien.

Der BDS steuert nicht nur die beiden Zustände "Ein" und "Aus", sondern vier verschiedene Zustände: Leitung (beide Gates sind eingeschaltet), Sperrung (beide Gates sind ausgeschaltet), Vorwärtsblockierung (Gate 1 eingeschaltet, Gate 2 ausgeschaltet, Stromrichtung: Drain → Source) und Rückwärtsblockierung (Gate 2 eingeschaltet, Gate 1 ausgeschaltet, Stromrichtung: Source → Drain).

Deshalb wird der BDS in der Branche auch "Vier-Quadranten-Schalter" (FQS) genannt. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, ist dies die Infineon-Analyse der vier Zustände des BDS:

Darüber hinaus gibt es zwei Konfigurationsmöglichkeiten für bidirektionale Schalter: gemeinsame Source und gemeinsame Drain. In der Topologie mit gemeinsamer Source teilen sich die beiden Gates dasselbe lokale Bezugspotential, sodass ein einzelner Gate-Treiber verwendet werden kann. Allerdings ist der Einschaltwiderstand RDS(on) in dieser Topologie höher. In der Konfiguration mit gemeinsamer Drain teilen sich die beiden Bauelemente die Drain, was zwei Gate-Treiber erfordert. Der RDS(on) ist jedoch niedriger, was möglicherweise zu einer besseren Lösung führt. Die Konfiguration mit gemeinsamer Drain ist derzeit die am weitesten verbreitete Methode.

Diese Vier-Quadranten-Eigenschaft bedeutet, dass die Steuerung auch anders als bei herkömmlichen Methoden ist. Beispielsweise wird in einem Stromquelleninverter (CSI) eine Vier-Schritt-Umschaltsequenz zur sicheren Phasenumschaltung verwendet, um Überspannungen an der DC-Bus-Induktivität (Lbus) und Überströme an der DC-Bus-Kapazität (Cf) zu vermeiden.

Wo liegt der Wert des BDS?

Was bringt der BDS also konkret in der Anwendung?

Erstens: Realisierung von einstufigen Topologien für Photovoltaik-Inverter und On-Board-Charger (OBC) für Elektromobile. Ein typischer AC/DC-OBC für Elektromobile besteht normalerweise aus einer PFC-Stufe, die mit einer DC/DC-Stufe in Reihe geschaltet ist, und wird über einen großen "DC-Bus"-Kondensator gepuffert. Das Problem bei dieser Topologie ist, dass das System groß, verlustreich, komplex und teuer ist. Der BDS kann hingegen eine einstufige DC/AC-Umwandlung realisieren, was eine höhere Effizienz ermöglicht.

Zweitens: Realisierung von Matrixwandlern (Matrix Converter). Seit der Einführung des Matrixwandler-Konzepts vor 45 Jahren kann die Spannung, die Frequenz und der Leistungsfaktor über neun BDS-Bauelemente, die die dreiphasigen Anschlüsse verbinden, eingestellt werden. Im Vergleich zur herkömmlichen AC-DC-AC-Zweistufen-Umwandlungslösung eines Frequenzumrichters (VFD) kann die BDS-Lösung Harmonikstörungen eliminieren, Energie zurückspeisen und den schweren DC-Link-Kondensator einsparen.

Drittens: Ersatz von B2B-Schaltern. In Vienna-Rectifiern, T-Typ-Wandlern und HERIC-Invertern werden B2B-Schalter verwendet, um den DC-Mittelpunkt an die AC-Seite zurückzuführen, um die Eingangsinduktivitätsströme zu kompensieren und Harmonische zu unterdrücken. Nach dem Ersatz der B2B-Schalter durch monolithische GaN-BDS kann die Anzahl der Bauelemente reduziert werden, und die Größe der passiven Bauelemente kann aufgrund der schnellen Schalteigenschaften verkleinert werden.

Topologie eines dreiphasigen Dreipunkt-T-Typ-Wandlers, bei dem der GaN-BDS als Mittelpunktschalter der T-Zweige verwendet wird und nur die Hälfte der DC-Ausgangsspannung unter bipolarer Bedingung aufnehmen muss

Viertens: Stromquelleninverter (CSI). Der große Induktor eines CSI verfügt über eine natürliche Überlastschutzfähigkeit, erfordert jedoch einen bidirektionalen Spannungsblockierschalter. Obwohl der CSI Herausforderungen wie eine komplexe Steuerung aufweist, hat er deutliche Vorteile in der Hochleistungs-Motorensteuerung, bei Elektroflugzeugen und in der Hochspannungs-Gleichstromübertragung. GaN-BDS wurde erfolgreich in der CSI-Entwicklung eingesetzt und kann die bidirektionale Blockieranforderung erfüllen, während die einseitige Stromleitungseigenschaft die Gate-Steuerung vereinfachen kann.

Fünftens: Wechselstrom-Solid-State-Schalter (SCCB) und Batterietrennung. AC-SCCB erfordert, dass das Bauelement bidirektionale Leitung, starke Überspannungsfestigkeit, niedrigen Einschaltwiderstand und schnelle Reaktion (Störungsbeseitigung im μs-Bereich) aufweist. Der Ersatz von mechanischen Schaltern oder MOSFET/IGBT-Antiserienschaltungen durch GaN-BDS kann die Anzahl der Chips reduzieren und die Effizienz erhöhen. Die fehlende ausgeprägte Spirito-Effekt-Eigenschaft vermeidet das Problem der begrenzten sicheren Arbeitszone (SOA) von Siliziumbauelementen. Der Batterietrennungsschalter in Ladekreisen von Mobiltelefonen/Notebooks verwendet eine Source-vereinigte Ein-Gate-Architektur, und der Einschaltwiderstand kann unter 10 mΩ liegen.

GaN-BDS: Der am schnellsten fortschreitende Bereich

GaN-M-BDS ist derzeit der am besten entwickelte Bereich für bidirektionale Schalter: Erstens ist GaN das einzige Halbleitermaterial, das auf einem einzigen Chip die Fähigkeit zur Hochspannungs-bidirektionalen Blockierung aufweist. Zweitens verwendet der GaN-HEMT eine laterale Struktur, bei der alle Anschlüsse auf derselben Seite des Wafers liegen, was es ermöglicht, andere Bauelemente auf demselben Substrat zu integrieren. Drittens ist das auf Si-Substrat basierende GaN-Bauelement mit dem CMOS-Herstellungsprozess kompatibel und kann in großen Waferfabriken kostengünstig in Massenproduktion hergestellt werden.

Das Konzept des GaN-BDS basiert auf der monolithischen Integration von zwei rückseitig an rückseitig geschalteten einseitigen GaN-HEMTs. Die beiden einseitigen GaN-HEMTs werden in einer Konfiguration mit gemeinsamer Drain monolithisch integriert, wobei die rückwärtigen Driftzonen jedes HEMTs zu einer Einheit zusammengefasst werden.

Im Idealfall benötigt der GaN-BDS nur ein Viertel der effektiven Chipfläche im Vergleich zu rückseitig an rückseitig geschalteten GaN-HEMTs, um denselben Einschaltwiderstand zu erreichen, und erbt alle Vorteile der GaN-HEMT-Technologie, wie beispielsweise das Fehlen einer Rückwärtsrückkehr, eine hervorragende Schaltgeschwindigkeit und geringe Schaltverluste.

Eine Rückschau auf die Geschichte des GaN-BDS: 1957 konnte der Thyristor bidirektionale Spannungen blockieren, aber keine bidirektionalen Ströme leiten. 1958 konnte der Triac bidirektionale Ströme und Spannungen verarbeiten, aber seine Schaltgeschwindigkeit war extrem langsam (nur 50/60 Hz). 1959 brachte der MOSFET Schaltfrequenzen von einigen zehn bis 100 kHz, aber seine bidirektionale Version war nur für Niedrigleistungsanwendungen geeignet. 1980 unterstützte der Silizium-basierte IGBT höhere Leistungen, aber ein einzelnes Bauelement konnte immer noch nicht gleichzeitig bidirektionale Spannungen und Ströme verarbeiten. Breite-Bandlücke-Halbleiter haben zwar die Leistungsdichte deutlich verbessert, aber anfänglich keine bidirektionale Fähigkeit. 2007 stellte Panasonic das Konzept des GaN-BDS vor, basierend auf einer Konfiguration mit gemeinsamer Drain von zwei GaN-Gate-Injektions-Transistoren (GIT). Ab 2019 hat die Forschungstätigkeit mit der Entstehung von GaN-BDS-Engineering-Proben rapide zugenommen. 2024 begannen die Bauelementhersteller, GaN-BDS-Produkte auf den Markt zu bringen. 2025 hat die Enphase Energy Company erstmals die kommerzielle Anwendung des GaN-BDS in ihrem IQ9-Photovoltaik-Mikroinverter realisiert.

GaN-BDS: Die Strategien der Hersteller

Derzeit spielt sich der Hauptwettbewerb im Bereich der 650-V-GaN-BDS zwischen den drei Top-Herstellern Infineon, Navitas und Renesas ab.

Infineon

Infineon hat 2024 die CoolGaN-Bidirektional-Schalter (BDS)-Produktreihe vorgestellt, die Spannungsoptionen von 40 V, 650 V und 850 V bietet. 2025 hat es weiterhin den 650-V-CoolGaN G5-Bidirektional-Schalter (BDS) vorgestellt. Dieser Schalter verwendet eine Konfiguration mit gemeinsamer Drain und eine Doppelt-Gate-Struktur und ist ein monolithischer bidirektionaler Schalter, der die leistungsstarke Gate-Injektions-Transistor (GIT)-Technologie und die CoolGaN™-Technologie von Infineon nutzt. Er kann die herkömmlichen rückseitig an rückseitig geschalteten Schalter in Wandlern effektiv ersetzen. Kurz darauf, im November 2025, hat Infineon angekündigt, dass der CoolGaN-Bidirektional-Schalter (BDS) in der neuen IQ9-Reihe von Mikroinvertern der Enphase Energy eingesetzt wird.

Konkret verwendet der 650-V-CoolGaN G5 einen 650-V-bidirektionalen Verstärkungstransistor in einer Konfiguration mit gemeinsamer Drain. Er verfügt über bidirektionale Blockierfähigkeit, niedrige Gate-Ladung, niedrige Ausgangsladung, integ