目前市場上的電動車使用的是400V和800V的電池，標稱電流超過200安培。如果這些高壓和高電流連接到車身或任何導電部件上，可能會導致致命風險。為了防止這種情況的發生，制造商采用高壓高電流直流接觸器繼電器，將電池的正負極與高壓電路網斷開，如圖1所示。

繼電器的挑戰

如果使用繼電器為并聯于逆變器的直流鏈路電容充電，則需要預充電電路，該電路的涌入電流取決于電容的大小、電壓和時間瞬態。預充電電路首先關閉，并在直流鏈路電壓幾乎達到時打開。如果使用半導體，則不再需要這個預充電電路。

繼電器是電機機械設備，其應用面臨一定挑戰。其中一個主要挑戰是兩個開關接觸點之間的電弧，這是一種由于接觸點之間的電壓引起的電氣放電，并由流經它們的電流維持。電弧會縮短接觸點的使用壽命，最壞的情況是導致接觸點焊接在一起。繼電器供應商有多種解決方案來克服這一問題，例如在負載上并聯電容、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。

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

半導體替代繼電器的實現

用半導體替代繼電器時，兩個晶體管被串聯放置以阻止雙向電流(見下方圖2)，使用n通道MOSFET。或者，其他類型的場效應晶體管(FET)也可以使用。VisIC的核心競爭力在于寬帶隙氮化鎵(GaN)FET，采用直接驅動配置，因此建議將它們用于高壓電池斷開開關(HV-BDS)。

HV-BDS中使用FET的要求

在正常操作期間，開關始終處于開啟狀態，因此RDSon是一個主要參數，定義了導通損耗(Pcon=I2RDSon)。所需的最小值可以通過技術本身以及多個芯片的并聯實現。并聯對于正確的電流共享至關重要，這一點必須得到保證。這在很大程度上依賴于對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：“......預測的特定導通電阻為0.4 mΩ/cm2，是傳統硅器件的理想特定導通電阻的180倍。”目前商業設備尚未達到這一預測，但即使電阻加倍，其值也將比硅開關小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，非常適合用于電池斷開開關。VisIC的直接驅動配置，如圖3所示，展示了如何控制GaN器件，帶來與市場上其他解決方案相比的多種優勢，例如沒有反向恢復損失、提高可靠性等。

氮化鎵面臨的挑戰

在這一應用中，氮化鎵面臨哪些挑戰?平面GaN FET沒有任何雪崩擊穿容限(Baliga)。因此，VisIC開關具有足夠的擊穿電壓裕度。額定650V的器件具有高于1600V的靜態阻斷電壓，提供了對沖擊和過電壓的強大抗性，經過Q. Song等(2022)在維吉尼亞理工大學的測試。動態擊穿電壓甚至超過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器件能夠反復承受358A的電流，持續5微秒。除了這一技術解決方案外，還可以實施離散方法來保護FET在100納秒內的短路事件。

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