【導(dǎo)讀】由于低損耗和低于其他選擇的成本，機(jī)械斷路器一直以來都是成功之選。但是現(xiàn)在，寬帶隙半導(dǎo)體讓固態(tài)斷路器更具吸引力。
在打開狀態(tài)下，機(jī)械斷路器是一種幾乎無損耗的安全連接方法，在關(guān)閉狀態(tài)下，它能實(shí)現(xiàn)徹底隔離，但是也并非沒有缺點(diǎn)。它打開和關(guān)閉的速度相對較慢，并會在接觸點(diǎn)之間釋放電弧，尤其是在使用直流電時(shí)，這會導(dǎo)致運(yùn)行壽命縮短。機(jī)械斷路器的新應(yīng)用，尤其是電動車中的應(yīng)用，現(xiàn)已將零件性能發(fā)揮到極限，運(yùn)行電流達(dá)到了數(shù)百安，而潛在故障電流達(dá)到數(shù)千安。如果需要約10毫秒來切斷連接，則在一次短路后就會允許通過數(shù)十焦耳能量，這會造成顯著損壞。
固態(tài)斷路器是一種有局限性的選擇
因?yàn)榍袛噙B接的時(shí)間短得多、完全沒有電弧和服務(wù)壽命長，固態(tài)斷路器（SSCB）一直都是一種選擇，但是它的額定電壓有限，成本和導(dǎo)電損耗比機(jī)械斷路器高。如果采用IGBT制作固態(tài)斷路器，則不可避免的飽和電壓會導(dǎo)致超過數(shù)十安的過多功率損耗，從而必須采用能大量散熱的技術(shù)，讓解決方案本就高昂的成本進(jìn)一步提高。硅MOSFET的導(dǎo)通電阻低且可控，在小電流下的壓降比IGBT低得多，但是隨著電流升高，功率也會以電流平方的速度上升。這意味著，以500安為例，IGBT的壓降可能為1.7V，功耗達(dá)到850W，而MOSFET可能需要一個(gè)3.4毫歐的導(dǎo)通電阻才能達(dá)到相同功率。雖然這是低壓下的現(xiàn)代MOSFET技術(shù)的領(lǐng)域，但是在單個(gè)器件中，在超過400V的典型電動車電池電壓所需的額定值下，這些導(dǎo)通電阻級別目前無法實(shí)現(xiàn)。十個(gè)器件并聯(lián)可能可以接近這些級別，但是成本會急劇上升，而且如果像在電動車應(yīng)用中的常態(tài)一樣需要雙向電流，則還會加倍。因此，即使考慮機(jī)電解決方案的終身維護(hù)成本，固態(tài)解決方案的成本也是一大障礙。表1總結(jié)了固態(tài)斷路器與機(jī)電斷路器的優(yōu)缺點(diǎn)。
【表1：固態(tài)斷路器和機(jī)械斷路器比較】
碳化硅將成為固態(tài)斷路器的可行技術(shù)
現(xiàn)已推出的寬帶隙半導(dǎo)體開關(guān)具有比硅超結(jié)MOSFET更好的導(dǎo)通電阻與晶粒面積乘積（Rds.A），因而可以考慮將其用于固態(tài)斷路器應(yīng)用。在考慮Rds.A（漏源電阻乘以晶粒面積）與擊穿電壓之間的取舍后，可以在基本層面上看到這種優(yōu)勢：理論上，SiC比硅好10倍左右，因此，在相同額定電壓和導(dǎo)通電阻下，晶粒面積是硅的十分之一，或者反過來，晶粒面積與硅相同，導(dǎo)通電阻是硅的十分之一。還有一個(gè)好處，SiC運(yùn)行時(shí)的峰值溫度超過硅的兩倍，且作為材料，導(dǎo)熱系數(shù)也好得多，從而讓峰值功耗的處理更加安全。
SiC開關(guān)可以采用MOSFET或JFET（圖1左）方式構(gòu)造，后者具有更好的Rds.A性能表征。在功率轉(zhuǎn)換開關(guān)技術(shù)中，雖然部分應(yīng)用能夠從器件在缺乏柵極控制時(shí)會短路的事實(shí)中受益，但是JFET在柵極電壓為零時(shí)常開的特征被視為一種劣勢。而SiC JFET還能以“共源共柵”結(jié)構(gòu)與低壓硅MOSFET相連，此時(shí)，該組合為常關(guān)型，可通過簡單的0-12V柵極驅(qū)動輕松控制。這種結(jié)構(gòu)就是SiC FET（圖1中間）。因?yàn)榘?lián)的低壓MOSFET，共源共柵的導(dǎo)通電阻比單個(gè)SiC JFET高5-15%，但是露出兩個(gè)器件柵極以實(shí)現(xiàn)外部控制的共源共柵版本能通過微調(diào)驅(qū)動電壓來將導(dǎo)通電阻降至極小。此類器件被稱為“雙柵極FET”或DG FET（圖1右）。在SiC FET和DG FET構(gòu)造中，一同封裝的低壓硅MOSFET晶粒“堆疊”在SiCJFET晶粒上方，如圖所示。
【圖1：JFET（左）、SiC FET共源共柵（中）和雙柵極SiC FET共源共柵（右）】
SiC JFET可感知自身溫度
SiC JFET的柵極看上去像是前向偏置的二極管，二極管適用電壓為+2V左右。在此情況下，JFET很有吸引力，而且對于固定偏置電流，比如1mA的固定偏置電流，晶粒溫度和導(dǎo)致的柵極電壓之間有準(zhǔn)確的對應(yīng)關(guān)系（圖2）。鑒于在采用DG FET時(shí)可實(shí)現(xiàn)柵極連接，這一對應(yīng)關(guān)系可用于執(zhí)行準(zhǔn)確而快速的晶粒溫度測量，以保護(hù)器件和長期監(jiān)視器件健康狀況。在有持續(xù)大電流的固態(tài)斷路器應(yīng)用中，這是一個(gè)寶貴的功能。
【圖2：SiC JFET柵極的“膝點(diǎn)”電壓與晶粒溫度有準(zhǔn)確的對應(yīng)關(guān)系】
實(shí)用的解決方案
雙向固態(tài)斷路器可以像圖3中使用SiC FET共源共柵的器件一樣簡單。JFET上的柵極電阻可將開關(guān)速度控制到實(shí)用級別，以避免不穩(wěn)定和電磁干擾，而“緩沖電路”網(wǎng)Rs、Cs可幫助抑制關(guān)閉時(shí)的任何電壓過沖。不可避免地，固態(tài)斷路器有顯著的外部連接電感和相應(yīng)的存儲能量，而SiC FET有強(qiáng)大的雪崩額定值，可經(jīng)受關(guān)閉時(shí)導(dǎo)致的電壓峰值，但是圖示的MOV也有助于限制電壓，而且比使用額定電壓更高的SiC FET更具成本效益，后者的Rds(on)肯定更高。
【圖3：使用SiC FET作為雙向固態(tài)斷路器】
在實(shí)踐中，我們使用SiC FET固態(tài)斷路器的目標(biāo)是在IGBT基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，讓整體導(dǎo)通電阻維持在3毫歐左右，可以用并聯(lián)SiC FET晶粒配置。對于單向開關(guān)，它可能含UnitedSiC生產(chǎn)的六個(gè)并聯(lián)的9毫歐、1200V器件，從而聯(lián)合形成2.2毫歐（考慮了封裝寄生效應(yīng)）的額定電阻，額定電壓為1200V，電流超過300A，可裝入小巧的SOT227標(biāo)準(zhǔn)空間中，與額定值類似的IGBT解決方案相當(dāng)。圖4表明此結(jié)構(gòu)可輕松中斷1950A的峰值故障電流。
【圖4：SiC FET固態(tài)斷路器安全地中斷接近2000A的電流】
SiC FET導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)良好，有助于確保器件能很好地分擔(dān)電流，與在小電流下不具備天然平衡效應(yīng)的IGBT形成鮮明對比。
固態(tài)斷路器的未來
目前，機(jī)械斷路器可能具有價(jià)格優(yōu)勢，但是仍不屬于低成本器件，尤其是汽車級器件。在電動車銷量激增的背景下，斷路器市場也在擴(kuò)大，在此情況下，固態(tài)斷路器也會隨著SiC在逆變器中的使用和單位成本的降低而從規(guī)模經(jīng)濟(jì)中獲益。與此同時(shí)，鑒于寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)仍處于發(fā)展初期且距離理論性能極限和最佳制程良率仍有一段距離，無論如何價(jià)格都會持續(xù)降低。例如，據(jù)預(yù)測，在未來幾年內(nèi)，SiC FET的性能表征Rds.A將提高2到3倍，晶圓成本會減半。
由于開關(guān)速度快、無電弧、免維護(hù)帶來的切實(shí)成本節(jié)省，采用SiC FET的固態(tài)斷路器必然會成為首選的解決方案。當(dāng)SiC FET RDS(on)變得與機(jī)械接觸電阻相當(dāng)且肯定比外部線纜連接低得多時(shí)，即使損耗比較也不會再是一個(gè)問題。
轉(zhuǎn)自《功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)》
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