蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH Zurich）高級機電系統(tǒng)團隊負責人Johann W. Kolar教授于2026年2月5日發(fā)布題為《下一代基于雙向GaN/SiC開關的電力電子技術》的前瞻性報告。
報告開篇指出，電力電子作為未來100%可再生能源發(fā)電與使用的關鍵賦能技術，目前處理著全球70%的電力，這一比例還將持續(xù)上升。可再生能源、電動出行（2040年40%乘用車為電動車）、數(shù)字化（AI數(shù)據(jù)中心耗電激增）和工業(yè)自動化（45%電能被電機消耗）四大趨勢正推動技術革新。
而電力電子領域長期存在一個“缺失元件”——具備雙向電壓阻斷和雙向電流導通/控制能力的開關。維也納整流器、HERIC逆變器和直接矩陣變換器等經(jīng)典拓撲都依賴這種開關實現(xiàn)功能。
如今，這一空白被單芯片雙向開關填補?；跈M向GaN功率晶體管的雙柵極MBDS，相比分立方案可在相同導通電阻下減小50%芯片面積。2020年，團隊已完成600V /140mΩ樣片的連續(xù)四象限運行驗證。
在非隔離三相PFC整流器領域，報告系統(tǒng)對比了電壓源型整流器和電流源型整流器。其中，MBDS的應用讓CSR的控制復雜度大幅降低——新型“自反向阻斷”MBDS使AC/DC CSR能像VSR一樣僅用6個外部常關柵極信號控制。
報告重點介紹了兩種高能效拓撲：
集成有源濾波器整流器采用“部分功率處理”概念，僅用一個小功率有源濾波器處理總功率的一小部分，實現(xiàn)對電網(wǎng)電流的諧波注入整形。8kW樣機實測峰值效率超過99.1%，功率密度達4 kW/dm3。
瑞士整流器進一步集成3次諧波注入與降壓輸出級，輸出電壓可控。8kW樣機效率高達99.26%，電流THD僅約0.5%，成為數(shù)據(jù)中心和EV充電的理想選擇。
MBDS作為工頻工作的相選擇開關，因其僅產(chǎn)生導通損耗且相比分立方案減少4倍芯片面積，成為這類整流器的理想器件。
當需要電氣隔離時，報告提出從兩級式向單級式演進的趨勢。核心創(chuàng)新包括兩大拓撲方向：
Y形整流器采用相位模塊化設計，三個單相全橋Y型連接輸入，共享副邊四臂全橋。其最大優(yōu)勢是在三相、單相或分相電網(wǎng)連接時均能保持全功率傳輸，無需降額。通過DAB或串聯(lián)諧振模式工作，當移相角恒定時表現(xiàn)出“歐姆性”電網(wǎng)行為。
矩陣型隔離三相AC/DC變換器采用直接AC/AC矩陣變換器作為輸入級，通過單個變壓器連接后級，結構更簡潔。8kW樣機效率達98.9%，功率密度4 kW/dm3。但其MBDS需承受線電壓（~560V），需要未來1200V GaN MBDS支持。
報告還分析了特斯拉Cybertruck車載充電器案例，其采用的矩陣型隔離雙向AC/DC變換器集成高壓和低壓充電功能，功率密度高達1.6 kW/dm3，展現(xiàn)了單級式拓撲的產(chǎn)業(yè)化潛力。
在工業(yè)應用領域，報告首先強調(diào)變頻電機驅(qū)動的普及性——全球42%電能被電機消耗，使用VSD可將系統(tǒng)效率從28%提升至82%。對比評估顯示，采用首個基于MBDS的電流源型變換器，在實際工況下?lián)p耗比傳統(tǒng)電壓源型變換器低20%。
電動車充電領域，報告引用BNEF數(shù)據(jù)：到2040年全球40%乘用車為電動車。下一代車載充電器需要具備雙向功率流（V2X）、三相/單相/分相無降額運行、孤島模式供電等擴展功能。為此，團隊提出隔離型相位解耦“X整流器”，實現(xiàn)對三相電流的完全解耦和獨立控制，完美滿足未來OBC需求。
報告最后聚焦于AI數(shù)據(jù)中心的爆發(fā)式增長。預計到2028年，美國7-12%的電力將用于數(shù)據(jù)中心，園區(qū)功率正邁向2.5GW至11GW級別。數(shù)據(jù)中心正與電力公司合作，作為“響應式負載”平衡可再生能源波動。
面對到2030年單個IT機柜功率可達1MW的挑戰(zhàn)，電源架構正從400V/480V交流向中壓直流演進。傳統(tǒng)工頻變壓器交貨周期已超100周，而固態(tài)變壓器可大幅減少原材料用量、降低成本和碳足跡。
然而，目前兩級式SST功率密度僅約0.1 MW/m3，效率98-98.5%。下一代SST目標是實現(xiàn)功率密度提升10倍（1 MW/m3），同時損耗降低30%。報告展示了基于矩陣型AC/DC變換器的“本地”SST拓撲，以及基于15kV IGBT的“真正”單芯片雙向開關研發(fā)進展，為未來中壓直流電網(wǎng)鋪平道路。
報告最后展示了多種由MBDS催生的新型拓撲——鉗位開關DC/DC Boost變換器、真正無橋Cuk PFC整流器、新型多電平變換器等，表明MBDS的出現(xiàn)正在打開電力電子拓撲創(chuàng)新的全新空間。
從器件革新到新拓撲創(chuàng)造，再到關鍵應用落地，Kolar教授團隊的這份報告完整呈現(xiàn)了從400V低壓到中壓、從非隔離到隔離、從分立器件到功能集成的技術演進路徑。隨著GaN/SiC器件和MBDS技術的持續(xù)成熟，更高效率、更高功率密度、更強功能集成的下一代電力電子系統(tǒng)正加速走向現(xiàn)實。
*聲明：本文基于報告內(nèi)容整理。筆者水平有限，理解與轉述可能存在不準確之處，歡迎各位讀者留言指正，共同交流學習。感謝閱讀！
