【導讀】由于低損耗和低于其他選擇的成本，機械斷路器一直以來都是成功之選。但是現在，寬帶隙半導體讓固態斷路器更具吸引力。
在打開狀態下，機械斷路器是一種幾乎無損耗的安全連接方法，在關閉狀態下，它能實現徹底隔離，但是也并非沒有缺點。它打開和關閉的速度相對較慢，并會在接觸點之間釋放電弧，尤其是在使用直流電時，這會導致運行壽命縮短。機械斷路器的新應用，尤其是電動車中的應用，現已將零件性能發揮到極限，運行電流達到了數百安，而潛在故障電流達到數千安。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十焦耳能量，這會造成顯著損壞。
固態斷路器是一種有局限性的選擇
因為切斷連接的時間短得多、完全沒有電弧和服務壽命長，固態斷路器（SSCB）一直都是一種選擇，但是它的額定電壓有限，成本和導電損耗比機械斷路器高。如果采用IGBT制作固態斷路器，則不可避免的飽和電壓會導致超過數十安的過多功率損耗，從而必須采用能大量散熱的技術，讓解決方案本就高昂的成本進一步提高。硅MOSFET的導通電阻低且可控，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，功耗達到850W，而MOSFET可能需要一個3.4毫歐的導通電阻才能達到相同功率。雖然這是低壓下的現代MOSFET技術的領域，但是在單個器件中，在超過400V的典型電動車電池電壓所需的額定值下，這些導通電阻級別目前無法實現。十個器件并聯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用中的常態一樣需要雙向電流，則還會加倍。因此，即使考慮機電解決方案的終身維護成本，固態解決方案的成本也是一大障礙。表1總結了固態斷路器與機電斷路器的優缺點。
【表1：固態斷路器和機械斷路器比較】
碳化硅將成為固態斷路器的可行技術
現已推出的寬帶隙半導體開關具有比硅超結MOSFET更好的導通電阻與晶粒面積乘積（Rds.A），因而可以考慮將其用于固態斷路器應用。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勢：理論上，SiC比硅好10倍左右，因此，在相同額定電壓和導通電阻下，晶粒面積是硅的十分之一，或者反過來，晶粒面積與硅相同，導通電阻是硅的十分之一。還有一個好處，SiC運行時的峰值溫度超過硅的兩倍，且作為材料，導熱系數也好得多，從而讓峰值功耗的處理更加安全。
SiC開關可以采用MOSFET或JFET（圖1左）方式構造，后者具有更好的Rds.A性能表征。在功率轉換開關技術中，雖然部分應用能夠從器件在缺乏柵極控制時會短路的事實中受益，但是JFET在柵極電壓為零時常開的特征被視為一種劣勢。而SiC JFET還能以“共源共柵”結構與低壓硅MOSFET相連，此時，該組合為常關型，可通過簡單的0-12V柵極驅動輕松控制。這種結構就是SiC FET（圖1中間）。因為包含串聯的低壓MOSFET，共源共柵的導通電阻比單個SiC JFET高5-15%，但是露出兩個器件柵極以實現外部控制的共源共柵版本能通過微調驅動電壓來將導通電阻降至極小。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，晶粒溫度和導致的柵極電壓之間有準確的對應關系（圖2）。鑒于在采用DG FET時可實現柵極連接，這一對應關系可用于執行準確而快速的晶粒溫度測量，以保護器件和長期監視器件健康狀況。在有持續大電流的固態斷路器應用中，這是一個寶貴的功能。
【圖2：SiC JFET柵極的“膝點”電壓與晶粒溫度有準確的對應關系】
實用的解決方案
雙向固態斷路器可以像圖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速度控制到實用級別，以避免不穩定和電磁干擾，而“緩沖電路”網Rs、Cs可幫助抑制關閉時的任何電壓過沖。不可避免地，固態斷路器有顯著的外部連接電感和相應的存儲能量，而SiC FET有強大的雪崩額定值，可經受關閉時導致的電壓峰值，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作為雙向固態斷路器】
在實踐中，我們使用SiC FET固態斷路器的目標是在IGBT基礎上進一步改進，讓整體導通電阻維持在3毫歐左右，可以用并聯SiC FET晶粒配置。對于單向開關，它可能含UnitedSiC生產的六個并聯的9毫歐、1200V器件，從而聯合形成2.2毫歐（考慮了封裝寄生效應）的額定電阻，額定電壓為1200V，電流超過300A，可裝入小巧的SOT227標準空間中，與額定值類似的IGBT解決方案相當。圖4表明此結構可輕松中斷1950A的峰值故障電流。
【圖4：SiC FET固態斷路器安全地中斷接近2000A的電流】
SiC FET導通電阻的溫度系數良好，有助于確保器件能很好地分擔電流，與在小電流下不具備天然平衡效應的IGBT形成鮮明對比。
固態斷路器的未來
目前，機械斷路器可能具有價格優勢，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，斷路器市場也在擴大，在此情況下，固態斷路器也會隨著SiC在逆變器中的使用和單位成本的降低而從規模經濟中獲益。與此同時，鑒于寬帶隙半導體技術仍處于發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，無論如何價格都會持續降低。例如，據預測，在未來幾年內，SiC FET的性能表征Rds.A將提高2到3倍，晶圓成本會減半。
由于開關速度快、無電弧、免維護帶來的切實成本節省，采用SiC FET的固態斷路器必然會成為首選的解決方案。當SiC FET RDS(on)變得與機械接觸電阻相當且肯定比外部線纜連接低得多時，即使損耗比較也不會再是一個問題。
轉自《功率系統設計》
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