目前市場(chǎng)上的電動(dòng)車使用的是400V和800V的電池，標(biāo)稱電流超過200安培。如果這些高壓和高電流連接到車身或任何導(dǎo)電部件上，可能會(huì)導(dǎo)致致命風(fēng)險(xiǎn)。為了防止這種情況的發(fā)生，制造商采用高壓高電流直流接觸器繼電器，將電池的正負(fù)極與高壓電路網(wǎng)斷開，如圖1所示。

繼電器的挑戰(zhàn)

如果使用繼電器為并聯(lián)于逆變器的直流鏈路電容充電，則需要預(yù)充電電路，該電路的涌入電流取決于電容的大小、電壓和時(shí)間瞬態(tài)。預(yù)充電電路首先關(guān)閉，并在直流鏈路電壓幾乎達(dá)到時(shí)打開。如果使用半導(dǎo)體，則不再需要這個(gè)預(yù)充電電路。

繼電器是電機(jī)機(jī)械設(shè)備，其應(yīng)用面臨一定挑戰(zhàn)。其中一個(gè)主要挑戰(zhàn)是兩個(gè)開關(guān)接觸點(diǎn)之間的電弧，這是一種由于接觸點(diǎn)之間的電壓引起的電氣放電，并由流經(jīng)它們的電流維持。電弧會(huì)縮短接觸點(diǎn)的使用壽命，最壞的情況是導(dǎo)致接觸點(diǎn)焊接在一起。繼電器供應(yīng)商有多種解決方案來克服這一問題，例如在負(fù)載上并聯(lián)電容、使用充氣腔等。高壓直流繼電器的工作溫度范圍通常限制在-40°C到85°C之間，切換速度在幾十毫秒的范圍內(nèi)。

繼電器的替代方案是雙向固態(tài)半導(dǎo)體開關(guān)，具體如下所述。重點(diǎn)在于主要的接觸器，同時(shí)也注意到輔助電路同樣需要這些開關(guān)。

半導(dǎo)體替代繼電器的實(shí)現(xiàn)

用半導(dǎo)體替代繼電器時(shí)，兩個(gè)晶體管被串聯(lián)放置以阻止雙向電流(見下方圖2)，使用n通道MOSFET。或者，其他類型的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)也可以使用。VisIC的核心競(jìng)爭(zhēng)力在于寬帶隙氮化鎵(GaN)FET，采用直接驅(qū)動(dòng)配置，因此建議將它們用于高壓電池?cái)嚅_開關(guān)(HV-BDS)。

HV-BDS中使用FET的要求

在正常操作期間，開關(guān)始終處于開啟狀態(tài)，因此RDSon是一個(gè)主要參數(shù)，定義了導(dǎo)通損耗(Pcon=I2RDSon)。所需的最小值可以通過技術(shù)本身以及多個(gè)芯片的并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。并聯(lián)對(duì)于正確的電流共享至關(guān)重要，這一點(diǎn)必須得到保證。這在很大程度上依賴于對(duì)稱的雜散電感的完美印刷電路布局。耗盡模式的GaN FET提供約1500 cm2/Vs的高電子遷移率，結(jié)合卓越的可靠性。

GaN器件為何適合HV-BDS

為什么GaN器件是HV-BDS的合適候選者?Baliga(2016)指出：“......預(yù)測(cè)的特定導(dǎo)通電阻為0.4 mΩ/cm2，是傳統(tǒng)硅器件的理想特定導(dǎo)通電阻的180倍。”目前商業(yè)設(shè)備尚未達(dá)到這一預(yù)測(cè)，但即使電阻加倍，其值也將比硅開關(guān)小90倍。

因此，GaN晶體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電阻，非常適合用于電池?cái)嚅_開關(guān)。VisIC的直接驅(qū)動(dòng)配置，如圖3所示，展示了如何控制GaN器件，帶來與市場(chǎng)上其他解決方案相比的多種優(yōu)勢(shì)，例如沒有反向恢復(fù)損失、提高可靠性等。

氮化鎵面臨的挑戰(zhàn)

在這一應(yīng)用中，氮化鎵面臨哪些挑戰(zhàn)?平面GaN FET沒有任何雪崩擊穿容限(Baliga)。因此，VisIC開關(guān)具有足夠的擊穿電壓裕度。額定650V的器件具有高于1600V的靜態(tài)阻斷電壓，提供了對(duì)沖擊和過電壓的強(qiáng)大抗性，經(jīng)過Q. Song等(2022)在維吉尼亞理工大學(xué)的測(cè)試。動(dòng)態(tài)擊穿電壓甚至超過2kV。

在短路事件中，器件必須承受通過通道的高電流。Song展示了VisIC的22 mΩ器件能夠反復(fù)承受358A的電流，持續(xù)5微秒。除了這一技術(shù)解決方案外，還可以實(shí)施離散方法來保護(hù)FET在100納秒內(nèi)的短路事件。

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