高压电池断开开关的未来：氮化镓技术能否解决关键挑战?

目前市场上的电动车使用的是400V和800V的电池，标称电流超过200安培。如果这些高压和高电流连接到车身或任何导电部件上，可能会导致致命风险。为了防止这种情况的发生，制造商采用高压高电流直流接触器继电器，将电池的正负极与高压电路网断开，如图1所示。

图1

 

继电器的挑战

 

如果使用继电器为并联于逆变器的直流链路电容充电，则需要预充电电路，该电路的涌入电流取决于电容的大小、电压和时间瞬态。预充电电路首先关闭，并在直流链路电压几乎达到时打开。如果使用半导体，则不再需要这个预充电电路。

 

继电器是电机机械设备，其应用面临一定挑战。其中一个主要挑战是两个开关接触点之间的电弧，这是一种由于接触点之间的电压引起的电气放电，并由流经它们的电流维持。电弧会缩短接触点的使用寿命，最坏的情况是导致接触点焊接在一起。继电器供应商有多种解决方案来克服这一问题，例如在负载上并联电容、使用充气腔等。高压直流继电器的工作温度范围通常限制在-40°C到85°C之间，切换速度在几十毫秒的范围内。

 

继电器的替代方案是双向固态半导体开关，具体如下所述。重点在于主要的接触器，同时也注意到辅助电路同样需要这些开关。

 

半导体替代继电器的实现

 

用半导体替代继电器时，两个晶体管被串联放置以阻止双向电流(见下方图2)，使用n通道MOSFET。或者，其他类型的场效应晶体管(FET)也可以使用。VisIC的核心竞争力在于宽带隙氮化镓(GaN)FET，采用直接驱动配置，因此建议将它们用于高压电池断开开关(HV-BDS)。

图2

 

HV-BDS中使用FET的要求

 

在正常操作期间，开关始终处于开启状态，因此RDSon是一个主要参数，定义了导通损耗(Pcon=I²RDSon)。所需的最小值可以通过技术本身以及多个芯片的并联实现。并联对于正确的电流共享至关重要，这一点必须得到保证。这在很大程度上依赖于对称的杂散电感的完美印刷电路布局。耗尽模式的GaN FET提供约1500 cm²/Vs的高电子迁移率，结合卓越的可靠性。

 

GaN器件为何适合HV-BDS

 

为什么GaN器件是HV-BDS的合适候选者?Baliga(2016)指出：“......预测的特定导通电阻为0.4 mΩ/cm²，是传统硅器件的理想特定导通电阻的180倍。”目前商业设备尚未达到这一预测，但即使电阻加倍，其值也将比硅开关小90倍。

 

因此，GaN晶体管要么可以在相同的RDSon下制造得更小，要么在相同的尺寸下具有更低的电阻，非常适合用于电池断开开关。VisIC的直接驱动配置，如图3所示，展示了如何控制GaN器件，带来与市场上其他解决方案相比的多种优势，例如没有反向恢复损失、提高可靠性等。

图3

 

氮化镓面临的挑战

 

在这一应用中，氮化镓面临哪些挑战?平面GaN FET没有任何雪崩击穿容限(Baliga)。因此，VisIC开关具有足够的击穿电压裕度。额定650V的器件具有高于1600V的静态阻断电压，提供了对冲击和过电压的强大抗性，经过Q. Song等(2022)在维吉尼亚理工大学的测试。动态击穿电压甚至超过2kV。

 

在短路事件中，器件必须承受通过通道的高电流。Song展示了VisIC的22 mΩ器件能够反复承受358A的电流，持续5微秒。除了这一技术解决方案外，还可以实施离散方法来保护FET在100纳秒内的短路事件。

 

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