Nexperia 适用于 36V 电池系统的特定应用 MOSFET

本主题由 elecfans小能手于 2022-10-28 16:45 审核通过

36V 锂离子电池是当今工具和户外动力设备的常用电源。由 36V 电池供电的产品得益于高功率输出和较长的电池寿命，同时也相对较轻且易于使用。然而，36V 电池的高能量密度也需要实现高效和安全的电池隔离。
隔离的需求源于该技术固有的安全风险。锂离子电池含有易燃电解质：如果损坏或充电或放电不正确，可能会导致火灾或爆炸。为了安全地对电池进行充电和放电，并将它们与负载隔离，电池系统设计人员通常使用 MOSFET，如图 1 所示。

△ 图 1：典型应用电路中的简单高边放电 MOSFET
这种 MOSFET 最常见的要求是：
● 足够的Vds漏源电压额定值。
● 低导通电阻，可降低导通损耗。
● 较高的Id额定电流，使 MOSFET 可以处理大功率应用中的峰值过载和故障电流。
● 较低的Idss漏电流，降低电池长时间不工作时的放电率。
● 坚固的封装和良好的板级可靠性。这对于暴露于恶劣环境（例如极端温度或振动）的应用非常重要。
设计人员在评估高边放电 MOSFET 选择时考虑的其他因素包括：
● 较高的雪崩能力。当快速隔离大电流负载时，通常会在电池故障保护机制下。断开时常触发的事件，高雪崩能量可能会通过 MOSFET 耗散。
● 较大的安全工作区（SOA）。在故障情况下，当过载期间试图关闭电机时，放电晶体管通常会在其电阻大幅上升时会短暂进入线性模式。在这些条件下，电池电压会在高负载电流下衰减，并且 MOSFET 栅极电压可能不足以确保晶体管完全导通。具有较大的 SOA 的 MOSFET 可以承受这些条件。
● 较低的栅极泄漏电流，以避免在线性模式下发生不必要的关断事件。
在包含 10 节串联电池的电池组中，电压通常为 36V；最大充电电压为 42 V。额定击穿电压介于 45 V 和 52.5 V 之间的 MOSFET 可提供至少 80% 的降额。
然而，在这些应用中通常使用 60 V MOSFET，因为它提供了更高的降额。但这是以雪崩等级、SOA、栅极电荷和泄漏性能等其他因素为代价的。在许多 MOSFET 中，硅结构会使元胞之间单元间距变窄，以实现低导通电阻，但是会影响 SOA 变弱并降低雪崩能量。
因此，设计工程师已经习惯于接受效率和隔离能力之间的折衷。然而，来自 Nexperia 的最新特定应用 50 V 和 55 V MOSFET 避免了这样的折衷。它们得益于卓越的超结技术，可产生较低的导通电阻，而不会影响其他参数的性能。
例如，采用 LFPAK88铜夹片封装的 Nexperia PSMNR90-50SLH 在 10 V 栅源电压下具有 0.9 mΩ的最大导通电阻。且最大漏极电流额定值可达 410 A。尽管导通电阻很低，并且具有最佳的 SOA 电流能力，在 40 V/Tp=1 ms下具有8.1 A 电流，如图 2 所示。

△ 图 2：PSMNR90-50SLH MOSFET 的 40 V/1 ms SOA 图
对于更多空间受限的应用，具有 200 A 额定电流的 50 V 和 55 V 器件也可采用 5 mm x 6 mm LFPAK56E 封装。
除了优化用于 36V 电池系统的关键参数外，Nexperia 还优化这些 MOSFET 在高温下的运行能力。在 175°C和 100% Vds 电压额定值下进行了 1,000 小时的高温反向偏置寿命测试（HTRB）。
根据 MIL-STD-750-1 M1038 Method A标准，60 V 器件的行业标准是在 175°C和80%的漏源电压额定值（48 V）下工作 1,000 小时。
广泛的 MOSFET 产品选择
Nexperia 放电 MOSFET 采用 100% 铜夹片LFPAK 封装。该封装坚固耐用，提供较高的板级可靠性和出色的热性能。LFPAK 封装适用于汽车以及工业和消费类应用。

△ 具有较大 SOA 的 Nexperia MOSFET适用于 36V 锂电池系统应用