【導讀】在新能源電動車發展趨勢的推動下，對高功率充電的需求日益殷切，而支持高功率密度、高性能和高開關頻率的氮化鎵場效應晶體管（GaN FET），成為市場上熱門的產品選擇。另一方面，目前市面上已經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來進行電池隔離。本文將為您介紹GaN FET與高效電池隔離技術的發展，以及Nexperia所推出的GaN FET與專用電池隔離MOSFET的產品特性。
在新能源電動車發展趨勢的推動下，對高功率充電的需求日益殷切，而支持高功率密度、高性能和高開關頻率的氮化鎵場效應晶體管（GaN FET），成為市場上熱門的產品選擇。另一方面，目前市面上已經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來進行電池隔離。本文將為您介紹GaN FET與高效電池隔離技術的發展，以及Nexperia所推出的GaN FET與專用電池隔離MOSFET的產品特性。
功率氮化鎵技術滿足對高效功率轉換的需求
當前工業應用所面臨的主要挑戰之一，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，其中包括汽車電氣化、電信基礎設施、服務器存儲和工業自動化，其中電力電子產品的使用顯著增長。這反過來又導致對基于氮化鎵（GaN）技術的高效、創新、大功率FET的需求增加。
在半導體行業中，功率器件創新的最大動力和驅動力是提高功率轉換效率。在各種技術中，與硅（Si）和碳化硅（SiC）解決方案相比，氮化鎵（GaN）技術表現出最大的性能優勢。具體而言，GaN場效應晶體管（FET）以較低的系統成本提供最佳效率，同時使系統更輕、更小和更冷。自從功率GaN晶體管，特別是GaN-on-Si器件被引入市場以來，性能、可靠性、成本和可用性都發生了顯著改善，功能更強大的GaN功率晶體管可用于驅動更高的功率。
GaN具有非常高的電子遷移率，能夠創建具有低導通電阻和極高開關頻率能力的器件。這些優勢在電動汽車（EV）和可再生能源應用等下一代電力系統中至關重要，也非常適合數據中心、電信基礎設施和工業中的應用。
高質量與高度穩健的高功率GaN FET
無論是為下一代新能源電動車設計的電機驅動／控制器，還是為最新5G電信網絡設計的電源，Nexperia的GaN FET將是您解決方案的關鍵，可提供高功率性能和高頻開關，這些常態關斷的GaN FET產品的設計和結構，可確保您的設計可應用低成本的標準柵極驅動器。
Nexperia的迭接GaN FET可提供高功率密度、高性能和高開關頻率，這種獨特的解決方案有助于使用眾所周知的Si MOSFET柵極驅動器輕松驅動設備。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溫（Tj [max] 175℃）、設計自由度和改進的電源系統可靠性。
Nexperia的GaN FET產品組合具有CCPAK與TO-247兩種封裝形式。Nexperia帶來了近20年生產高質量、高穩健性SMD封裝的經驗，CCPAK以真正創新的封裝提供行業領先的性能，無引線鍵合可優化熱性能和電氣性能，并簡化迭接配置設計，無需復雜的驅動器和控制裝置。
Nexperia采用CCPAK封裝的GaN FET產品采用創新的銅夾封裝技術，電感比行業標準封裝低3倍，可降低開關損耗和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）可實現最佳冷卻，可提供可制造性和穩健性，具有用于溫度循環可靠性的柔性引線，這種靈活的鷗翼式引線，實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一步改善散熱，并可符合AEC-Q101、MSL1規范，且是無鹵素器件。目前主要產品包括支持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的封裝專業知識與行業標準TO-247相結合，可生產出高質量、高度穩健的GaN FET產品，以無與倫比的可靠性滿足最苛刻的應用。Nexperia的TO-247封裝GaN FET產品可提供高性能（>99%效率）、低動態特性，擁有反向傳導中最低的WBG損耗，以及領先的軟開關性能，相當易于驅動，可支持0至12 V柵極驅動，采用TO-247封裝的GaN FET產品線包括支持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備正在迅猛發展，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，非常適合專業工具，也適合傳統有繩設備，甚至是發動機驅動的室外電力設備，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點，但是在故障情況下，這可能會成為問題，因為它有可能導致大量不受控制的能量釋放，從而導致負載過熱和潛在的電路火災，必須安全地隔離電池，并在關閉系統前，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，可為優化安全工作區（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。
在電池出現故障導致深度放電時，由于在高電流下電路電感兩端產生的電壓，電池隔離MOSFET通常會進入線性模式。因此，維持穩定的安全工作區至關重要。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。鑒于典型應用經常在惡劣環境下運行，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技術提供了出色的安全工作區功能，利用50/55 V ASFET（Application-Specific FET），可優化了1 ms至10 ms的放電性能。例如，以PSMN1R5-50YLH這款產品為例，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），能夠反復耐受此類事件。
隨著這些專用50/55 V ASFET的發布，Nexperia成為率先專門針對36 V電池系統提供50 V額定值MOSFET的公司之一。該產品在SOA、ID額定值和雪崩能力方面進行了優化，同時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。它提供業界領先的性能，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產品組合，是專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，大電流下的電路電感會產生電壓，因此電池隔離MOSFET通常會進入線性模式，增強的SOA MOSFET可繼續安全可控地運行，直到關閉為止，將電池與負載電路完全隔離。
在正常工作時，需要低導通電阻才能實現低傳導損耗，但需要優化參數以實現安全的電池隔離，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柵極驅動能力。
Nexperia推出的ASFET產品組合除了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發的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產品組合的一部分，使用Nexperia獨特的“SchottkyPlus”技術，可提供通常與集成肖特基或類肖特基二極管的MOSFET相關的高效率開關和低尖峰性能，但不會出現高泄漏電流問題。ASFET特別適用于需要強大雪崩能力、線性模式性能、在高開關頻率下使用，以及在高負載電流下安全可靠開關的36 V電池供電應用。
PSMN1R5-50YLH針對36 V（標稱）電池供電應用進行了優化，LFPAK56E封裝采用低應力外露引線框架，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℃環境下運作，支持雪崩等級，并經過100%測試，尤其是在較高開關頻率下，具備低QG、QGD和QOSS，可實現高效率。
PSMN1R5-50YLH具有軟式二極管恢復的超快速開關，可實現低尖峰和振鈴，推薦用于低EMI設計，具有窄VGS(th)額定值，便于并聯以改善電流共享，擁有非常強大的線性模式／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，例如服務器電源，還有電池保護和電池管理系統（BMS）、負荷開關與10節鋰離子電池應用（36 V - 42 V）。
結語
在電動汽車與工業關鍵應用中，GaN FET的優異性能，適用于車載充電、DC-DC轉換器、牽引逆變器、太陽能（PV）逆變器、交流伺服驅動器／變頻器、電池存儲／UPS逆變器等產品。Nexperia的GaN FET產品組合擁有CCPAK與TO-247兩種封裝形式，是具有高質量、高穩健性的GaN FET產品，能夠滿足各種高功率電源應用的需求。
此外，隨著采用電池供電的設備越來越多，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）
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