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滿足高功率應(yīng)用與高效電池隔離需求的解決方案

發(fā)布時間:2022-10-21 責任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在新能源電動車發(fā)展趨勢的推動下,對高功率充電的需求日益殷切,而支持高功率密度、高性能和高開關(guān)頻率的氮化鎵場效應(yīng)晶體管(GaN FET),成為市場上熱門的產(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(shè)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來進行電池隔離。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與專用電池隔離MOSFET的產(chǎn)品特性。


在新能源電動車發(fā)展趨勢的推動下,對高功率充電的需求日益殷切,而支持高功率密度、高性能和高開關(guān)頻率的氮化鎵場效應(yīng)晶體管(GaN FET),成為市場上熱門的產(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(shè)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來進行電池隔離。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與專用電池隔離MOSFET的產(chǎn)品特性。


功率氮化鎵技術(shù)滿足對高效功率轉(zhuǎn)換的需求


當前工業(yè)應(yīng)用所面臨的主要挑戰(zhàn)之一,便是降低功率損耗。面對來自社會越來越大的壓力,和越來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(zhuǎn)換和增加電氣化,其中包括汽車電氣化、電信基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)器存儲和工業(yè)自動化,其中電力電子產(chǎn)品的使用顯著增長。這反過來又導(dǎo)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(dǎo)體行業(yè)中,功率器件創(chuàng)新的最大動力和驅(qū)動力是提高功率轉(zhuǎn)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(xiàn)出最大的性能優(yōu)勢。具體而言,GaN場效應(yīng)晶體管(FET)以較低的系統(tǒng)成本提供最佳效率,同時使系統(tǒng)更輕、更小和更冷。自從功率GaN晶體管,特別是GaN-on-Si器件被引入市場以來,性能、可靠性、成本和可用性都發(fā)生了顯著改善,功能更強大的GaN功率晶體管可用于驅(qū)動更高的功率。


GaN具有非常高的電子遷移率,能夠創(chuàng)建具有低導(dǎo)通電阻和極高開關(guān)頻率能力的器件。這些優(yōu)勢在電動汽車(EV)和可再生能源應(yīng)用等下一代電力系統(tǒng)中至關(guān)重要,也非常適合數(shù)據(jù)中心、電信基礎(chǔ)設(shè)施和工業(yè)中的應(yīng)用。


高質(zhì)量與高度穩(wěn)健的高功率GaN FET


無論是為下一代新能源電動車設(shè)計的電機驅(qū)動/控制器,還是為最新5G電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)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關(guān),這些常態(tài)關(guān)斷的GaN FET產(chǎn)品的設(shè)計和結(jié)構(gòu),可確保您的設(shè)計可應(yīng)用低成本的標準柵極驅(qū)動器。


Nexperia的迭接GaN FET可提供高功率密度、高性能和高開關(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(qū)動器輕松驅(qū)動設(shè)備。此外,與市場上的其他解決方案不同,它具有無與倫比的高結(jié)溫(Tj [max] 175℃)、設(shè)計自由度和改進的電源系統(tǒng)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帶來了近20年生產(chǎn)高質(zhì)量、高穩(wěn)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,無引線鍵合可優(yōu)化熱性能和電氣性能,并簡化迭接配置設(shè)計,無需復(fù)雜的驅(qū)動器和控制裝置。


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,可降低開關(guān)損耗和EMI,與引線鍵合解決方案相比,可靠性更高,具有絕佳的熱性能,低Rth(j-mb)典型值(<0.5 K/W)可實現(xiàn)最佳冷卻,可提供可制造性和穩(wěn)健性,具有用于溫度循環(huán)可靠性的柔性引線,這種靈活的鷗翼式引線,實現(xiàn)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(shè)計的靈活性并進一步改善散熱,并可符合AEC-Q101、MSL1規(guī)范,且是無鹵素器件。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的封裝專業(yè)知識與行業(yè)標準TO-247相結(jié)合,可生產(chǎn)出高質(zhì)量、高度穩(wěn)健的GaN FET產(chǎn)品,以無與倫比的可靠性滿足最苛刻的應(yīng)用。Nexperia的TO-247封裝GaN FET產(chǎn)品可提供高性能(>99%效率)、低動態(tài)特性,擁有反向傳導(dǎo)中最低的WBG損耗,以及領(lǐng)先的軟開關(guān)性能,相當易于驅(qū)動,可支持0至12 V柵極驅(qū)動,采用TO-247封裝的GaN FET產(chǎn)品線包括支持650 V、35 mΩ的GAN041-650WSB,以及支持650 V、50 mΩ的GAN063-650WSA。


滿足高功率應(yīng)用與高效電池隔離需求的解決方案


高能量密度電池需要進行高效的電池隔離


在過去幾年,使用電池供電的無繩工具和室外電力設(shè)備正在迅猛發(fā)展,這類電池具有良好的功率和電池壽命搭配,同時相對輕便,易于使用。推動這種趨勢的關(guān)鍵因素之一,便是使用壽命持久的10芯36V鋰離子電池組的問世,由于這些電池的能量密度比較高,非常適合專業(yè)工具,也適合傳統(tǒng)有繩設(shè)備,甚至是發(fā)動機驅(qū)動的室外電力設(shè)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(jié)鋰離子電池組的手持和電池供電的工具和設(shè)備,雖然具有能量密度高的優(yōu)點,但是在故障情況下,這可能會成為問題,因為它有可能導(dǎo)致大量不受控制的能量釋放,從而導(dǎo)致負載過熱和潛在的電路火災(zāi),必須安全地隔離電池,并在關(guān)閉系統(tǒng)前,以可控的方式處理大量放電,因此需要非常穩(wěn)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(shè)計人員會使用60 V MOSFET。但是,對于36 V的標稱額定值,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(qū)(SOA)、漏極電流(ID)額定值和雪崩能力提供機會,從而提高整體安全性和效率。


在電池出現(xiàn)故障導(dǎo)致深度放電時,由于在高電流下電路電感兩端產(chǎn)生的電壓,電池隔離MOSFET通常會進入線性模式。因此,維持穩(wěn)定的安全工作區(qū)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(yīng)用經(jīng)常在惡劣環(huán)境下運行,雪崩事件可能會很常見。


針對電池隔離需求,Nexperia推出的新型50/55 V專用MOSFET,可提供必要的SOA和穩(wěn)健性,同時還提供顯著改進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(qū)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(xù)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(fù)耐受此類事件。


隨著這些專用50/55 V ASFET的發(fā)布,Nexperia成為率先專門針對36 V電池系統(tǒng)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行了優(yōu)化,同時保持良好的導(dǎo)通電阻,為設(shè)計人員提供了非常穩(wěn)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(gòu)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,是專為多節(jié)電池供電設(shè)備而設(shè)計,是最穩(wěn)健的LFPAK封裝器件的理想應(yīng)用。在故障情況下,由于在故障引起深度放電時,大電流下的電路電感會產(chǎn)生電壓,因此電池隔離MOSFET通常會進入線性模式,增強的SOA MOSFET可繼續(xù)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,需要低導(dǎo)通電阻才能實現(xiàn)低傳導(dǎo)損耗,但需要優(yōu)化參數(shù)以實現(xiàn)安全的電池隔離,這種穩(wěn)健的電池隔離MOSFET可用作設(shè)備批準的主要保護,適用于可能需要低Vt的應(yīng)用,因為電池保護IC可能只有2-3 V柵極驅(qū)動能力。


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(yīng)用所開發(fā)的Nexperia PSMN1R5-50YLH是N通道、50 V、1.7 mΩ、支持200安培連續(xù)電流、邏輯電平柵極驅(qū)動應(yīng)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肖特基二極管的MOSFET相關(guān)的高效率開關(guān)和低尖峰性能,但不會出現(xiàn)高泄漏電流問題。ASFET特別適用于需要強大雪崩能力、線性模式性能、在高開關(guān)頻率下使用,以及在高負載電流下安全可靠開關(guān)的36 V電池供電應(yīng)用。


PSMN1R5-50YLH針對36 V(標稱)電池供電應(yīng)用進行了優(yōu)化,LFPAK56E封裝采用低應(yīng)力外露引線框架,具有極高的可靠性、最佳焊接和易于進行焊點檢查,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100%測試,尤其是在較高開關(guān)頻率下,具備低QG、QGD和QOSS,可實現(xiàn)高效率。


PSMN1R5-50YLH具有軟式二極管恢復(fù)的超快速開關(guān),可實現(xiàn)低尖峰和振鈴,推薦用于低EMI設(shè)計,具有窄VGS(th)額定值,便于并聯(lián)以改善電流共享,擁有非常強大的線性模式/安全工作區(qū)特性,可在大電流條件下安全可靠地切換。PSMN1R5-50YLH可應(yīng)用于無刷直流電機控制,以及大功率AC-DC應(yīng)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(tǒng)(BMS)、負荷開關(guān)與10節(jié)鋰離子電池應(yīng)用(36 V - 42 V)。


結(jié)語


在電動汽車與工業(yè)關(guān)鍵應(yīng)用中,GaN FET的優(yōu)異性能,適用于車載充電、DC-DC轉(zhuǎn)換器、牽引逆變器、太陽能(PV)逆變器、交流伺服驅(qū)動器/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(wěn)健性的GaN FET產(chǎn)品,能夠滿足各種高功率電源應(yīng)用的需求。


此外,隨著采用電池供電的設(shè)備越來越多,一方面要提供更高的功率密度,還要維持較小的設(shè)備外型尺寸,因此對高功率密度的鋰離子電池組需求越來越高,但同時也要維持電池的安全性、穩(wěn)健性,因此電池隔離MOSFET便扮演著重要的角色。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(shè)備的最佳搭檔,值得您進一步深入了解與采用。

(文章來源:中電網(wǎng))



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