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威廉希尔官方网站 网断开，如图1所示。

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，则需要预充电威廉希尔官方网站 ，该威廉希尔官方网站 的涌入电流取决于电容的大小、电压和时间瞬态。预充电威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 。

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，同时也注意到辅助威廉希尔官方网站 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)。

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威廉希尔官方网站 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。

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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