满足高功率应用与高效电池隔离需求的解决方案

在新能源电动车发展趋势的推动下,对高功率充电的需求日益殷切,而支持高功率密度、高性能和高开关频率的氮化镓场效应晶体管(GaN FET),成为市场上热门的产品选择。另一方面,目前市面上已经有众多利用电池操作的工具与设备,为了提升电池的运作安全性、效率,并提升电池的寿命,必须采用高效的MOSFET来进行电池隔离。本文将为您介绍GaN FET与高效电池隔离技术的发展,以及Nexperia所推出的GaN FET与专用电池隔离MOSFET的产品特性。

功率氮化镓技术满足对高效功率转换的需求

当前工业应用所面临的主要挑战之一,便是降低功率损耗。面对来自社会越来越大的压力,和越来越多的政府针对减少二氧化碳排放的立法,许多行业正在投资于更高效的电力转换和增加电气化,其中包括汽车电气化、电信基础设施、服务器存储和工业自动化,其中电力电子产品的使用显著增长。这反过来又导致对基于氮化镓(GaN)技术的高效、创新、大功率FET的需求增加。

在半导体行业中,功率器件创新的最大动力和驱动力是提高功率转换效率。在各种技术中,与硅(Si)和碳化硅(SiC)解决方案相比,氮化镓(GaN)技术表现出最大的性能优势。具体而言,GaN场效应晶体管(FET)以较低的系统成本提供最佳效率,同时使系统更轻、更小和更冷。自从功率GaN晶体管,特别是GaN-on-Si器件被引入市场以来,性能、可靠性、成本和可用性都发生了显著改善,功能更强大的GaN功率晶体管可用于驱动更高的功率。

GaN具有非常高的电子迁移率,能够创建具有低导通电阻和极高开关频率能力的器件。这些优势在电动汽车(EV)和可再生能源应用等下一代电力系统中至关重要,也非常适合数据中心、电信基础设施和工业中的应用。

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高质量与高度稳健的高功率GaN FET

无论是为下一代新能源电动车设计的电机驱动/控制器,还是为最新5G电信网络设计的电源,Nexperia的GaN FET将是您解决方案的关键,可提供高功率性能和高频开关,这些常态关断的GaN FET产品的设计和结构,可确保您的设计可应用低成本的标准栅极驱动器。

Nexperia的迭接GaN FET可提供高功率密度、高性能和高开关频率,这种独特的解决方案有助于使用众所周知的Si MOSFET栅极驱动器轻松驱动设备。此外,与市场上的其他解决方案不同,它具有无与伦比的高结温(Tj [max] 175℃)、设计自由度和改进的电源系统可靠性。

Nexperia的GaN FET产品组合具有CCPAK与TO-247两种封装形式。Nexperia带来了近20年生产高质量、高稳健性SMD封装的经验,CCPAK以真正创新的封装提供行业领先的性能,无引线键合可优化热性能和电气性能,并简化迭接配置设计,无需复杂的驱动器和控制装置。
Nexperia采用CCPAK封装的GaN FET产品采用创新的铜夹封装技术,电感比行业标准封装低3倍,可降低开关损耗和EMI,与引线键合解决方案相比,可靠性更高,具有绝佳的热性能,低Rth(j-mb)典型值(<0.5 K/W)可实现最佳冷却,可提供可制造性和稳健性,具有用于温度循环可靠性的柔性引线,这种灵活的鸥翼式引线,实现强大的板级可靠性,可兼容SMD焊接和AOI瑕疵检测,并具有两种冷却方式,包括底部冷却(CCPAK1212)与顶部冷却(CCPAK1212i),可增加设计的灵活性并进一步改善散热,并可符合AEC-Q101、MSL1规范,且是无卤素器件。目前主要产品包括支持650 V、33 mΩ的GAN039-650NBB、GAN039-650NBBA与GAN039-650NTB这三款采用CCPAK封装的GaN FET。

此外,将Nexperia的封装专业知识与行业标准TO-247相结合,可生产出高质量、高度稳健的GaN FET产品,以无与伦比的可靠性满足最苛刻的应用。Nexperia的TO-247封装GaN FET产品可提供高性能(>99%效率)、低动态特性,拥有反向传导中最低的WBG损耗,以及领先的软开关性能,相当易于驱动,可支持0至12 V栅极驱动,采用TO-247封装的GaN FET产品线包括支持650 V、35 mΩ的GAN041-650WSB,以及支持650 V、50 mΩ的GAN063-650WSA。

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高能量密度电池需要进行高效的电池隔离

在过去几年,使用电池供电的无绳工具和室外电力设备正在迅猛发展,这类电池具有良好的功率和电池寿命搭配,同时相对轻便,易于使用。推动这种趋势的关键因素之一,便是使用寿命持久的10芯36V锂离子电池组的问世,由于这些电池的能量密度比较高,非常适合专业工具,也适合传统有绳设备,甚至是发动机驱动的室外电力设备,例如电锯和割草机。但是,由于能量密度升高,它们更加需要高效的电池隔离。

这些使用多节锂离子电池组的手持和电池供电的工具和设备,虽然具有能量密度高的优点,但是在故障情况下,这可能会成为问题,因为它有可能导致大量不受控制的能量释放,从而导致负载过热和潜在的电路火灾,必须安全地隔离电池,并在关闭系统前,以可控的方式处理大量放电,因此需要非常稳健且具有高热效的MOSFET。

按照标准MOSFET电压额定值,对于36 V电池,设计人员会使用60 V MOSFET。但是,对于36 V的标称额定值,使用50 V或55 V的MOSFET则比较理想。减小MOSFET电压额定值,可为优化安全工作区(SOA)、漏极电流(ID)额定值和雪崩能力提供机会,从而提高整体安全性和效率。

在电池出现故障导致深度放电时,由于在高电流下电路电感两端产生的电压,电池隔离MOSFET通常会进入线性模式。因此,维持稳定的安全工作区至关重要。此外,电池隔离MOSFET通常放置在远离负载的位置,可能遭受非钳位电感尖峰(UIS)。通过优化VDS电压(50 V),使其更接近电池电压(36 V),可帮助将耗散电能减少至少20%(与60 VDS器件相比),并且可以避免潜在的故障。鉴于典型应用经常在恶劣环境下运行,雪崩事件可能会很常见。

针对电池隔离需求,Nexperia推出的新型50/55 V专用MOSFET,可提供必要的SOA和稳健性,同时还提供显着改进的效率和很高的额定功率,外形尺寸为5*6 mm。此外,Nexperia的MOSFET技术提供了出色的安全工作区功能,利用50/55 V ASFET(Application-Specific FET),可优化了1 ms至10 ms的放电性能。例如,以PSMN1R5-50YLH这款产品为例,它能够在40 V电压下处理高达5 A的放电,并持续1 ms。另一方面,Nexperia的PSMN1R5-50YLH具有优化雪崩能力,具有2000 mJ(在25 A电流下)的单相雪崩额定值(EAS),能够反复耐受此类事件。

随着这些专用50/55 V ASFET的发布,Nexperia成为率先专门针对36 V电池系统提供50 V额定值MOSFET的公司之一。该产品在SOA、ID额定值和雪崩能力方面进行了优化,同时保持良好的导通电阻,为设计人员提供了非常稳定的电池隔离解决方案。它提供业界领先的性能,直流电池额定值为200 A,计算的硅限制为312 A,并基于Nexperia的成熟电池隔离ASFET产品组合构建。

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适用于高负载电流的36 V电池供电的增强型MOSFET

Nexperia推出用于电池隔离的ASFET产品组合,是专为多节电池供电设备而设计,是最稳健的LFPAK封装器件的理想应用。在故障情况下,由于在故障引起深度放电时,大电流下的电路电感会产生电压,因此电池隔离MOSFET通常会进入线性模式,增强的SOA MOSFET可继续安全可控地运行,直到关闭为止,将电池与负载电路完全隔离。

在正常工作时,需要低导通电阻才能实现低传导损耗,但需要优化参数以实现安全的电池隔离,这种稳健的电池隔离MOSFET可用作设备批准的主要保护,适用于可能需要低Vt的应用,因为电池保护IC可能只有2-3 V栅极驱动能力。

Nexperia推出的ASFET产品组合除了PSMN1R5-50YLH之外,还包括PSMNR70-40SSH是N通道40 V、0.7 mΩ、425 A逻辑电平MOSFET,采用LFPAK88封装,还有PSMN1R0-40ULD是N通道40 V、1.1 mΩ、280 A逻辑电平MOSFET,采用SOT1023A封装,以及PSMNR51-25YLH是N通道25 V、0.57 mΩ、380 A逻辑电平MOSFET,采用LFPAK56E封装。针对36 V电池的高效隔离应用所开发的Nexperia PSMN1R5-50YLH是N通道、50 V、1.7 mΩ、支持200安培连续电流、逻辑电平栅极驱动应用,采用LFPAK56E封装的增强型MOSFET。作为用于电池隔离和直流电机控制系列的ASFET产品组合的一部分,使用Nexperia独特的“SchottkyPlus”技术,可提供通常与集成肖特基或类肖特基二极管的MOSFET相关的高效率开关和低尖峰性能,但不会出现高泄漏电流问题。ASFET特别适用于需要强大雪崩能力、线性模式性能、在高开关频率下使用,以及在高负载电流下安全可靠开关的36 V电池供电应用。

PSMN1R5-50YLH针对36 V(标称)电池供电应用进行了优化,LFPAK56E封装采用低应力外露引线框架,具有极高的可靠性、最佳焊接和易于进行焊点检查,可用于低封装电感和电阻,以及高ID(max)额定值的铜夹和焊料芯片连接,可在175℃环境下运作,支持雪崩等级,并经过100%测试,尤其是在较高开关频率下,具备低QG、QGD和QOSS,可实现高效率。

PSMN1R5-50YLH具有软式二极管恢复的超快速开关,可实现低尖峰和振铃,推荐用于低EMI设计,具有窄VGS(th)额定值,便于并联以改善电流共享,拥有非常强大的线性模式/安全工作区特性,可在大电流条件下安全可靠地切换。PSMN1R5-50YLH可应用于无刷直流电机控制,以及大功率AC-DC应用中的同步整流器,例如服务器电源,还有电池保护和电池管理系统(BMS)、负荷开关与10节锂离子电池应用(36 V - 42 V)。

结语

在电动汽车与工业关键应用中,GaN FET的优异性能,适用于车载充电、DC-DC转换器、牵引逆变器、太阳能(PV)逆变器、交流伺服驱动器/变频器、电池存储/UPS逆变器等产品。Nexperia的GaN FET产品组合拥有CCPAK与TO-247两种封装形式,是具有高质量、高稳健性的GaN FET产品,能够满足各种高功率电源应用的需求。

此外,随着采用电池供电的设备越来越多,一方面要提供更高的功率密度,还要维持较小的设备外型尺寸,因此对高功率密度的锂离子电池组需求越来越高,但同时也要维持电池的安全性、稳健性,因此电池隔离MOSFET便扮演着重要的角色。本文介绍的Nexperia GaN FET与电池隔离MOSFET拥有高性能与效率,是电池运作设备的最佳搭档,值得您进一步深入了解与采用。

文章来源:Arrow Solution