在新能源電動(dòng)車發(fā)展趨勢(shì)的推動(dòng)下，對(duì)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(chǎng)效應(yīng)晶體管（GaN FET），成為市場(chǎng)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(yùn)作安全性、效率，并提升電池的壽命，必須采用高效的MOSFET來進(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與專用電池隔離MOSFET的產(chǎn)品特性。

功率氮化鎵技術(shù)滿足對(duì)高效功率轉(zhuǎn)換的需求

當(dāng)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(duì)來自社會(huì)越來越大的壓力，和越來越多的政府針對(duì)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(chǔ)和工業(yè)自動(dòng)化，其中電力電子產(chǎn)品的使用顯著增長(zhǎng)。這反過來又導(dǎo)致對(duì)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(dòng)力和驅(qū)動(dòng)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(shì)。具體而言，GaN場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）以較低的系統(tǒng)成本提供最佳效率，同時(shí)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(chǎng)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(qiáng)大的GaN功率晶體管可用于驅(qū)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(dǎo)通電阻和極高開關(guān)頻率能力的器件。這些優(yōu)勢(shì)在電動(dòng)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(dòng)車設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)／控制器，還是為最新5G電信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)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(jì)和結(jié)構(gòu)，可確保您的設(shè)計(jì)可應(yīng)用低成本的標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)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(dú)特的解決方案有助于使用眾所周知的Si MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器輕松驅(qū)動(dòng)設(shè)備。此外，與市場(chǎng)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(jì)自由度和改進(jìn)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(yàn)，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(jiǎn)化迭接配置設(shè)計(jì)，無需復(fù)雜的驅(qū)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的板級(jí)可靠性，可兼容SMD焊接和AOI瑕疵檢測(cè)，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(jì)的靈活性并進(jìn)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(shí)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)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(dāng)易于驅(qū)動(dòng)，可支持0至12 V柵極驅(qū)動(dòng)，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。

高能量密度電池需要進(jìn)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(shí)相對(duì)輕便，易于使用。推動(dòng)這種趨勢(shì)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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的室外電力設(shè)備，例如電鋸和割草機(jī)。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(diǎn)，但是在故障情況下，這可能會(huì)成為問題，因?yàn)樗锌赡軐?dǎo)致大量不受控制的能量釋放，從而導(dǎo)致負(fù)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(biāo)準(zhǔn)MOSFET電壓額定值，對(duì)于36 V電池，設(shè)計(jì)人員會(huì)使用60 V MOSFET。但是，對(duì)于36 V的標(biāo)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(jī)會(huì)，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(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(yuǎn)離負(fù)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(yùn)行，雪崩事件可能會(huì)很常見。

針對(duì)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(shí)還提供顯著改進(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(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(dá)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(duì)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(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)保持良好的導(dǎo)通電阻，為設(shè)計(jì)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(jì)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(fù)載電流的36 V電池供電的增強(qiáng)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(jì)，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(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)入線性模式，增強(qiáng)的SOA MOSFET可繼續(xù)安全可控地運(yùn)行，直到關(guān)閉為止，將電池與負(fù)載電路完全隔離。

在正常工作時(shí)，需要低導(dǎo)通電阻才能實(shí)現(xiàn)低傳導(dǎo)損耗，但需要優(yōu)化參數(shù)以實(shí)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(zhǔn)的主要保護(hù)，適用于可能需要低Vt的應(yīng)用，因?yàn)殡姵乇Ｗo(hù)IC可能只有2-3 V柵極驅(qū)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(duì)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(dòng)應(yīng)用，采用LFPAK56E封裝的增強(qiáng)型MOSFET。作為用于電池隔離和直流電機(jī)控制系列的ASFET產(chǎn)品組合的一部分，使用Nexperia獨(dú)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(huì)出現(xiàn)高泄漏電流問題。ASFET特別適用于需要強(qiáng)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(fù)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(duì)36 V（標(biāo)稱）電池供電應(yīng)用進(jìn)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(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(yùn)作，支持雪崩等級(jí)，并經(jīng)過100%測(cè)試，尤其是在較高開關(guān)頻率下，具備低QG、QGD和QOSS，可實(shí)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(shí)現(xiàn)低尖峰和振鈴，推薦用于低EMI設(shè)計(jì)，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(qiáng)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(jī)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(hù)和電池管理系統(tǒng)（BMS）、負(fù)荷開關(guān)與10節(jié)鋰離子電池應(yīng)用（36 V - 42 V）。

結(jié)語(yǔ)

在電動(dòng)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(yáng)能（PV）逆變器、交流伺服驅(qū)動(dòng)器／變頻器、電池存儲(chǔ)／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(duì)高功率密度的鋰離子電池組需求越來越高，但同時(shí)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(yùn)作設(shè)備的最佳搭檔，值得您進(jìn)一步深入了解與采用。

文章來源：Arrow Solution

審核編輯 黃宇