滿(mǎn)足高功率應用與高效電池隔離需求的解決方案

在新能源電動(dòng)車(chē)發(fā)展趨勢的推動(dòng)下，對高功率充電的需求日益殷切，而支持高功率密度、高性能和高開(kāi)關(guān)頻率的氮化鎵場(chǎng)效應晶體管（GaN FET），成為市場(chǎng)上熱門(mén)的產(chǎn)品選擇。另一方面，目前市面上已經(jīng)有眾多利用電池操作的工具與設備，為了提升電池的運作安全性、效率，并提升電池的壽命，必須采用高效的MOSFET來(lái)進(jìn)行電池隔離。本文將為您介紹GaN FET與高效電池隔離技術(shù)的發(fā)展，以及Nexperia所推出的GaN FET與專(zhuān)用電池隔離MOSFET的產(chǎn)品特性。

功率氮化鎵技術(shù)滿(mǎn)足對高效功率轉換的需求

當前工業(yè)應用所面臨的主要挑戰之一，便是降低功率損耗。面對來(lái)自社會(huì )越來(lái)越大的壓力，和越來(lái)越多的政府針對減少二氧化碳排放的立法，許多行業(yè)正在投資于更高效的電力轉換和增加電氣化，其中包括汽車(chē)電氣化、電信基礎設施、服務(wù)器存儲和工業(yè)自動(dòng)化，其中電力電子產(chǎn)品的使用顯著(zhù)增長(cháng)。這反過(guò)來(lái)又導致對基于氮化鎵（GaN）技術(shù)的高效、創(chuàng )新、大功率FET的需求增加。

在半導體行業(yè)中，功率器件創(chuàng )新的最大動(dòng)力和驅動(dòng)力是提高功率轉換效率。在各種技術(shù)中，與硅（Si）和碳化硅（SiC）解決方案相比，氮化鎵（GaN）技術(shù)表現出最大的性能優(yōu)勢。具體而言，GaN場(chǎng)效應晶體管（FET）以較低的系統成本提供最佳效率，同時(shí)使系統更輕、更小和更冷。自從功率GaN晶體管，特別是GaN-on-Si器件被引入市場(chǎng)以來(lái)，性能、可靠性、成本和可用性都發(fā)生了顯著(zhù)改善，功能更強大的GaN功率晶體管可用于驅動(dòng)更高的功率。

GaN具有非常高的電子遷移率，能夠創(chuàng )建具有低導通電阻和極高開(kāi)關(guān)頻率能力的器件。這些優(yōu)勢在電動(dòng)汽車(chē)（EV）和可再生能源應用等下一代電力系統中至關(guān)重要，也非常適合數據中心、電信基礎設施和工業(yè)中的應用。

高質(zhì)量與高度穩健的高功率GaN FET

無(wú)論是為下一代新能源電動(dòng)車(chē)設計的電機驅動(dòng)／控制器，還是為最新5G電信網(wǎng)絡(luò )設計的電源，Nexperia的GaN FET將是您解決方案的關(guān)鍵，可提供高功率性能和高頻開(kāi)關(guān)，這些常態(tài)關(guān)斷的GaN FET產(chǎn)品的設計和結構，可確保您的設計可應用低成本的標準柵極驅動(dòng)器。

Nexperia的迭接GaN FET可提供高功率密度、高性能和高開(kāi)關(guān)頻率，這種獨特的解決方案有助于使用眾所周知的Si MOSFET柵極驅動(dòng)器輕松驅動(dòng)設備。此外，與市場(chǎng)上的其他解決方案不同，它具有無(wú)與倫比的高結溫（Tj [max] 175℃）、設計自由度和改進(jìn)的電源系統可靠性。

Nexperia的GaN FET產(chǎn)品組合具有CCPAK與TO-247兩種封裝形式。Nexperia帶來(lái)了近20年生產(chǎn)高質(zhì)量、高穩健性SMD封裝的經(jīng)驗，CCPAK以真正創(chuàng )新的封裝提供行業(yè)領(lǐng)先的性能，無(wú)引線(xiàn)鍵合可優(yōu)化熱性能和電氣性能，并簡(jiǎn)化迭接配置設計，無(wú)需復雜的驅動(dòng)器和控制裝置。
Nexperia采用CCPAK封裝的GaN FET產(chǎn)品采用創(chuàng )新的銅夾封裝技術(shù)，電感比行業(yè)標準封裝低3倍，可降低開(kāi)關(guān)損耗和EMI，與引線(xiàn)鍵合解決方案相比，可靠性更高，具有絕佳的熱性能，低Rth(j-mb)典型值（<0.5 K/W）可實(shí)現最佳冷卻，可提供可制造性和穩健性，具有用于溫度循環(huán)可靠性的柔性引線(xiàn)，這種靈活的鷗翼式引線(xiàn)，實(shí)現強大的板級可靠性，可兼容SMD焊接和AOI瑕疵檢測，并具有兩種冷卻方式，包括底部冷卻（CCPAK1212）與頂部冷卻（CCPAK1212i），可增加設計的靈活性并進(jìn)一步改善散熱，并可符合AEC-Q101、MSL1規范，且是無(wú)鹵素器件。目前主要產(chǎn)品包括支持650 V、33 mΩ的GAN039-650NBB、GAN039-650NBBA與GAN039-650NTB這三款采用CCPAK封裝的GaN FET。

此外，將Nexperia的封裝專(zhuān)業(yè)知識與行業(yè)標準TO-247相結合，可生產(chǎn)出高質(zhì)量、高度穩健的GaN FET產(chǎn)品，以無(wú)與倫比的可靠性滿(mǎn)足最苛刻的應用。Nexperia的TO-247封裝GaN FET產(chǎn)品可提供高性能（>99%效率）、低動(dòng)態(tài)特性，擁有反向傳導中最低的WBG損耗，以及領(lǐng)先的軟開(kāi)關(guān)性能，相當易于驅動(dòng)，可支持0至12 V柵極驅動(dòng)，采用TO-247封裝的GaN FET產(chǎn)品線(xiàn)包括支持650 V、35 mΩ的GAN041-650WSB，以及支持650 V、50 mΩ的GAN063-650WSA。

高能量密度電池需要進(jìn)行高效的電池隔離

在過(guò)去幾年，使用電池供電的無(wú)繩工具和室外電力設備正在迅猛發(fā)展，這類(lèi)電池具有良好的功率和電池壽命搭配，同時(shí)相對輕便，易于使用。推動(dòng)這種趨勢的關(guān)鍵因素之一，便是使用壽命持久的10芯36V鋰離子電池組的問(wèn)世，由于這些電池的能量密度比較高，非常適合專(zhuān)業(yè)工具，也適合傳統有繩設備，甚至是發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)的室外電力設備，例如電鋸和割草機。但是，由于能量密度升高，它們更加需要高效的電池隔離。

這些使用多節鋰離子電池組的手持和電池供電的工具和設備，雖然具有能量密度高的優(yōu)點(diǎn)，但是在故障情況下，這可能會(huì )成為問(wèn)題，因為它有可能導致大量不受控制的能量釋放，從而導致負載過(guò)熱和潛在的電路火災，必須安全地隔離電池，并在關(guān)閉系統前，以可控的方式處理大量放電，因此需要非常穩健且具有高熱效的MOSFET。

按照標準MOSFET電壓額定值，對于36 V電池，設計人員會(huì )使用60 V MOSFET。但是，對于36 V的標稱(chēng)額定值，使用50 V或55 V的MOSFET則比較理想。減小MOSFET電壓額定值，可為優(yōu)化安全工作區（SOA）、漏極電流（ID）額定值和雪崩能力提供機會(huì )，從而提高整體安全性和效率。

在電池出現故障導致深度放電時(shí)，由于在高電流下電路電感兩端產(chǎn)生的電壓，電池隔離MOSFET通常會(huì )進(jìn)入線(xiàn)性模式。因此，維持穩定的安全工作區至關(guān)重要。此外，電池隔離MOSFET通常放置在遠離負載的位置，可能遭受非鉗位電感尖峰（UIS）。通過(guò)優(yōu)化VDS電壓（50 V），使其更接近電池電壓（36 V），可幫助將耗散電能減少至少20%（與60 VDS器件相比），并且可以避免潛在的故障。鑒于典型應用經(jīng)常在惡劣環(huán)境下運行，雪崩事件可能會(huì )很常見(jiàn)。

針對電池隔離需求，Nexperia推出的新型50/55 V專(zhuān)用MOSFET，可提供必要的SOA和穩健性，同時(shí)還提供顯著(zhù)改進(jìn)的效率和很高的額定功率，外形尺寸為5*6 mm。此外，Nexperia的MOSFET技術(shù)提供了出色的安全工作區功能，利用50/55 V ASFET（Application-Specific FET），可優(yōu)化了1 ms至10 ms的放電性能。例如，以PSMN1R5-50YLH這款產(chǎn)品為例，它能夠在40 V電壓下處理高達5 A的放電，并持續1 ms。另一方面，Nexperia的PSMN1R5-50YLH具有優(yōu)化雪崩能力，具有2000 mJ（在25 A電流下）的單相雪崩額定值（EAS），能夠反復耐受此類(lèi)事件。

隨著(zhù)這些專(zhuān)用50/55 V ASFET的發(fā)布，Nexperia成為率先專(zhuān)門(mén)針對36 V電池系統提供50 V額定值MOSFET的公司之一。該產(chǎn)品在SOA、ID額定值和雪崩能力方面進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)保持良好的導通電阻，為設計人員提供了非常穩定的電池隔離解決方案。它提供業(yè)界領(lǐng)先的性能，直流電池額定值為200 A，計算的硅限制為312 A，并基于Nexperia的成熟電池隔離ASFET產(chǎn)品組合構建。

適用于高負載電流的36 V電池供電的增強型MOSFET

Nexperia推出用于電池隔離的ASFET產(chǎn)品組合，是專(zhuān)為多節電池供電設備而設計，是最穩健的LFPAK封裝器件的理想應用。在故障情況下，由于在故障引起深度放電時(shí)，大電流下的電路電感會(huì )產(chǎn)生電壓，因此電池隔離MOSFET通常會(huì )進(jìn)入線(xiàn)性模式，增強的SOA MOSFET可繼續安全可控地運行，直到關(guān)閉為止，將電池與負載電路完全隔離。

在正常工作時(shí)，需要低導通電阻才能實(shí)現低傳導損耗，但需要優(yōu)化參數以實(shí)現安全的電池隔離，這種穩健的電池隔離MOSFET可用作設備批準的主要保護，適用于可能需要低Vt的應用，因為電池保護IC可能只有2-3 V柵極驅動(dòng)能力。

Nexperia推出的ASFET產(chǎn)品組合除了PSMN1R5-50YLH之外，還包括PSMNR70-40SSH是N通道40 V、0.7 mΩ、425 A邏輯電平MOSFET，采用LFPAK88封裝，還有PSMN1R0-40ULD是N通道40 V、1.1 mΩ、280 A邏輯電平MOSFET，采用SOT1023A封裝，以及PSMNR51-25YLH是N通道25 V、0.57 mΩ、380 A邏輯電平MOSFET，采用LFPAK56E封裝。針對36 V電池的高效隔離應用所開(kāi)發(fā)的Nexperia PSMN1R5-50YLH是N通道、50 V、1.7 mΩ、支持200安培連續電流、邏輯電平柵極驅動(dòng)應用，采用LFPAK56E封裝的增強型MOSFET。作為用于電池隔離和直流電機控制系列的ASFET產(chǎn)品組合的一部分，使用Nexperia獨特的“SchottkyPlus”技術(shù)，可提供通常與集成肖特基或類(lèi)肖特基二極管的MOSFET相關(guān)的高效率開(kāi)關(guān)和低尖峰性能，但不會(huì )出現高泄漏電流問(wèn)題。ASFET特別適用于需要強大雪崩能力、線(xiàn)性模式性能、在高開(kāi)關(guān)頻率下使用，以及在高負載電流下安全可靠開(kāi)關(guān)的36 V電池供電應用。

PSMN1R5-50YLH針對36 V（標稱(chēng)）電池供電應用進(jìn)行了優(yōu)化，LFPAK56E封裝采用低應力外露引線(xiàn)框架，具有極高的可靠性、最佳焊接和易于進(jìn)行焊點(diǎn)檢查，可用于低封裝電感和電阻，以及高ID(max)額定值的銅夾和焊料芯片連接，可在175℃環(huán)境下運作，支持雪崩等級，并經(jīng)過(guò)100%測試，尤其是在較高開(kāi)關(guān)頻率下，具備低QG、QGD和QOSS，可實(shí)現高效率。

PSMN1R5-50YLH具有軟式二極管恢復的超快速開(kāi)關(guān)，可實(shí)現低尖峰和振鈴，推薦用于低EMI設計，具有窄VGS(th)額定值，便于并聯(lián)以改善電流共享，擁有非常強大的線(xiàn)性模式／安全工作區特性，可在大電流條件下安全可靠地切換。PSMN1R5-50YLH可應用于無(wú)刷直流電機控制，以及大功率AC-DC應用中的同步整流器，例如服務(wù)器電源，還有電池保護和電池管理系統（BMS）、負荷開(kāi)關(guān)與10節鋰離子電池應用（36 V - 42 V）。

結語(yǔ)

在電動(dòng)汽車(chē)與工業(yè)關(guān)鍵應用中，GaN FET的優(yōu)異性能，適用于車(chē)載充電、DC-DC轉換器、牽引逆變器、太陽(yáng)能（PV）逆變器、交流伺服驅動(dòng)器／變頻器、電池存儲／UPS逆變器等產(chǎn)品。Nexperia的GaN FET產(chǎn)品組合擁有CCPAK與TO-247兩種封裝形式，是具有高質(zhì)量、高穩健性的GaN FET產(chǎn)品，能夠滿(mǎn)足各種高功率電源應用的需求。

此外，隨著(zhù)采用電池供電的設備越來(lái)越多，一方面要提供更高的功率密度，還要維持較小的設備外型尺寸，因此對高功率密度的鋰離子電池組需求越來(lái)越高，但同時(shí)也要維持電池的安全性、穩健性，因此電池隔離MOSFET便扮演著(zhù)重要的角色。本文介紹的Nexperia GaN FET與電池隔離MOSFET擁有高性能與效率，是電池運作設備的最佳搭檔，值得您進(jìn)一步深入了解與采用。

文章來(lái)源：Arrow Solution

審核編輯 黃宇