【导读】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。
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。
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。
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。
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：中电网）
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