【導讀】近年來(lái)，人們對固態(tài)斷路器和固態(tài)功率控制器的興趣越來(lái)越濃厚。鑒于SiC JFET在高額定電壓下具有低開(kāi)態(tài)電阻而且它在需要時(shí)進(jìn)行限流的能力毫不遜色，它們一直被視為此應用的理想器件。我們調查了常關(guān)型SiC FET在雙柵極結構中的使用情況，以簡(jiǎn)化大電流直流斷路器和交流斷路器的開(kāi)發(fā)。
近年來(lái)，人們對固態(tài)斷路器和固態(tài)功率控制器的興趣越來(lái)越濃厚。鑒于SiC JFET在高額定電壓下具有低開(kāi)態(tài)電阻而且它在需要時(shí)進(jìn)行限流的能力毫不遜色，它們一直被視為此應用的理想器件。我們調查了常關(guān)型SiC FET在雙柵極結構中的使用情況，以簡(jiǎn)化大電流直流斷路器和交流斷路器的開(kāi)發(fā)。
有許多研究對固態(tài)斷路器的優(yōu)勢進(jìn)行了探索，它們可以大致分為混合斷路器和沒(méi)有機械部件的完全固態(tài)斷路器。本文重點(diǎn)介紹固態(tài)斷路器。表1展現了在與現有機電斷路器和繼電器比較時(shí)，固態(tài)斷路器的優(yōu)勢和劣勢概覽。固態(tài)斷路器的已知重要優(yōu)勢是能夠在1納秒/微秒內中斷電流，而機電斷路器需要的時(shí)間為毫秒級。在中斷內阻抗非常低的電力來(lái)源時(shí)，例如電動(dòng)車(chē)電池，這一優(yōu)勢會(huì )變得越來(lái)越寶貴。它還可以用于中斷直流電路，而無(wú)需周全的電弧防止措施。沒(méi)有移動(dòng)部件和接觸降級的特點(diǎn)使其能在進(jìn)行現場(chǎng)更換前執行更多周期的故障防護。然而，固態(tài)斷路器的電阻比機械接觸高，從而使其成本與電流比要高得多。對于基本單極器件，由于半導體的額定電壓變高，在相同面積的所用材料下，電阻會(huì )隨著(zhù)V2或V2.5一起增加。由于斷路器電壓級的升高，這會(huì )直接影響成本。
表1：固態(tài)斷路器與機電斷路器的特征比較
為什么用SiC進(jìn)行電路保護
固態(tài)保護電路的主要功能是在開(kāi)態(tài)下以盡可能小的電阻損耗傳導電流，并能夠在系統控制器建議中斷電流時(shí)中斷電流。在不到600 V的低壓下，硅MOSFET的電阻低，是打造斷路器、繼電器和電子保險絲的成本經(jīng)濟的選擇，而且已經(jīng)應用于48V電池系統。一旦所需的電壓超過(guò)600 V，即使超結（SJ）MOSFET等先進(jìn)的硅技術(shù)的電阻也會(huì )過(guò)高。IGBT雖然能夠提供非常低的微分阻抗，但是在其導電特征中有拐點(diǎn)，從而使導電過(guò)程中的功率損耗過(guò)高，這反過(guò)來(lái)導致需要去除更多熱量。在電壓超過(guò)3000 V時(shí)，則使用IGCT實(shí)施斷路器。
圖1顯示的是硅SJ MOSFET、GaN FET、SiC MOSFET和基于SiC-JFET的SiC FET的具體導通電阻。應該很明顯的一個(gè)事實(shí)是，在從600至2000 V的大電壓范圍內，SiC FET能在單位面積內實(shí)現極低的電阻。這允許人們開(kāi)發(fā)出導電損耗極低、極為小巧和經(jīng)濟高效的固態(tài)斷路器。在散熱受限的應用中，它們會(huì )非常有用。所有SiC器件也都能夠承受很高的瞬時(shí)升溫（例如在短路事件中），這一特點(diǎn)在處理四倍于硅器件的單位面積能量時(shí)十分有用。這是因為寬帶隙會(huì )導致需要高得多的溫度才能通過(guò)熱量生產(chǎn)足夠的載波子，從而降低開(kāi)關(guān)的電壓閉鎖能力。4H-SiC的導熱系數比GaN或基于Si的器件高三倍，允許高效散熱，從而允許在更高的電流密度下運行。
圖1：比較多種半導體的具體導通電阻與電壓
基于SiC的電路保護的主要應用
鑒于固態(tài)電路保護的成本普遍較高，它很可能用于速度、可控性、可靠性和重量輕這幾個(gè)特征比成本溢價(jià)要重要的情況。這是典型的新技術(shù)，而且由于總是會(huì )隨著(zhù)技術(shù)（尤其是SiC）的成熟和擴展出現的成本降低，它的應用領(lǐng)域會(huì )更廣。
鑒于直流電力來(lái)源（太陽(yáng)能、電動(dòng)車(chē)電池、能量存儲等）和直流負載的迅速增長(cháng)，直流斷路器領(lǐng)域正在考察需要使用750 V – 1200 V FET的基于SiC的斷路器。在電動(dòng)車(chē)、船、飛機應用中，需要非常低的導電損耗，且電弧閃光帶來(lái)了安全隱患，因此固態(tài)斷路器是一個(gè)好解決方案。固態(tài)解決方案的能力是快速中斷短路事件，不讓電流上升到5 kA或10 kA以上，這一能力十分寶貴。在保護層級中，可以在主斷路器和下游斷路器之間實(shí)現更快的協(xié)調。
大功率交流斷路器也能從固態(tài)解決方案的使用中獲益，這主要是因為現在可以使用與機械接觸相媲美的1200 V SiC FET來(lái)實(shí)現導通電阻，且整體解決方案可以大幅簡(jiǎn)化現場(chǎng)維護。固態(tài)開(kāi)關(guān)直接帶來(lái)的快速電流中斷和浪涌電流限制能改進(jìn)功能，從而帶來(lái)更多價(jià)值。
家居空間中的交流斷路器可以利用SiC器件無(wú)與倫比的低導電損耗，以便在除了傳統負載外的使用太陽(yáng)能電池板、能量存儲和電動(dòng)車(chē)的新興環(huán)境中實(shí)現智能解決方案來(lái)管理能量。盡量降低生成的熱量可實(shí)現具有成本效益的斷路器面板，而不需要任何風(fēng)扇來(lái)冷卻。
除了固態(tài)斷路器外，這些器件還用于構造固態(tài)功率控制器，它可在船和飛機上的多個(gè)發(fā)電來(lái)源與負載之間調節受管理的功率流。像故障電流一樣，浪涌電流也能得到有效控控制。
固態(tài)斷路器在鐵路牽引中也能發(fā)揮作用，能促進(jìn)更好地管理接觸網(wǎng)與系統功率電子器件之間的更快的故障響應。這可以幫助降低下游功率電子器件的體積、重量和成本。系統可靠性和壽命也能受益。
在一系列新興應用中，SiC JFET被用作雙向限流開(kāi)關(guān)、自供電斷路器和超共源共柵高壓斷路器。
在功能安全方面，對于即使失去柵極功率，晶體管保持開(kāi)態(tài)也有好處的應用，常開(kāi)型SiC JFET是十分有用的器件?？煽紤]在高壓側使用常關(guān)型器件而在低壓側使用常開(kāi)型JFET的全橋整流器。此橋仍然存在，作為到輸入側的常關(guān)器件，但是由于低壓側JFET可以在兩個(gè)都打開(kāi)時(shí)讓輸出短接，它們可以在失去控制力時(shí)作為分流器。此種方法可以改進(jìn)電動(dòng)機逆變器的設計，在該應用中簡(jiǎn)單地使用常開(kāi)器件作為低壓側FET可以簡(jiǎn)化功能安全性的管理。
在上述所有領(lǐng)域，固態(tài)解決方案監視其運行狀況的能力以及允許輕松按計劃維護而不是在故障后再維修的能力都是顯著(zhù)優(yōu)勢，而事實(shí)表明雙柵極SiC FET提供了這方面的最佳選項。
JFET、SiC FET和雙柵極SiC FET結構
圖2比較了SiC MOSFET和SiC JFET的基本結構。圖1中表明了SiC JFET具有較低的單位面積導通電阻，這要歸功于無(wú)低遷移溝道和無(wú)需保護柵氧化層免受強磁場(chǎng)影響，強磁場(chǎng)需要附加屏蔽，而這會(huì )增加導通電阻。然而，JFET是常開(kāi)型器件，而為了打造常關(guān)型器件，可以將低壓硅MOSFET與SiC JFET以共源共柵結構串聯(lián)，如圖2所示，這可使RDS(on)增加5 – 15%。這個(gè)串聯(lián)連接的器件可以配置為基本共源共柵結構，也就是SiC FET，也可以配置為雙柵極器件，讓低壓MOSFET和SiC JFET的柵極都可以從外部接觸到。
圖2：JFET中的低溝道電阻導致的SiC MOSFET和SiC FET的電阻差異
圖3：基于SiC JFET的器件的結構
在圖3中，左側的圖顯示的是與傳統MOSFET一樣采用TO-247封裝的SiC JFET。中間的圖顯示的是如何在高壓SiC JFET晶粒的源極墊上堆疊低壓MOSFET以形成SiC FET共源共柵結構。在封裝內，SiC JFET的柵極連接到低壓MOSFET的源極，構成了完整的共源共柵連接。該器件可以像常關(guān)型MOSFET一樣使用。右側的圖顯示的是如何在相同的TO-247-4L封裝中讓MOSFET柵極和JFET柵極外露，便于用戶(hù)控制。這被稱(chēng)為雙柵極FET（DG FET）。在圖內示例中，1200 V JFET在VGS = 2 V時(shí)的電阻為7 m?，在VGS = 0 V時(shí)的電阻為8 m?。SiC FET中，在開(kāi)態(tài)下，該JFET運行時(shí)的VGS接近0 V。器件電阻為9 m?，其中1 m?是由低壓MOSFET帶來(lái)的。在右側的雙柵極器件中，在開(kāi)態(tài)下，MOSFET打開(kāi)，而且由于JFET可以在柵極電壓為2至2.5 V時(shí)運行，其電阻會(huì )降至7 m?，而復合器件的電阻降至8 m?。這一開(kāi)態(tài)行為如圖4所示。
圖4：VGS = 2 V與VGS = 0 V相比電阻較低，可用于1200 V雙柵極FET
圖5以溫度函數的形式顯示了1 mA下JFET的VGS的行為，相當于感知了柵源SiC PN結的膝點(diǎn)電壓。在器件打開(kāi)時(shí)，柵極驅動(dòng)電路可以感知該電壓，進(jìn)而直接決定TJ。這種感知的TJ方法遠比感知VDS(on) = (ID ? RDS(on))要準確。各個(gè)器件的小電流膝點(diǎn)電壓差異不大，因為它不受許多會(huì )導致RDS(on)變化的過(guò)程因素的影響。在將溫度感知二極管集成到SiC芯片時(shí)，它的速度和準確性也都很出色。最后，在功率模塊中使用NTC感知溫度和/或感知控制集成電路的TJ無(wú)法與這種JFET VGS感知方法能實(shí)現的必要響應速度和準確性相比。
圖5：使用SiCJFET的開(kāi)態(tài)VGS監視其結溫
在已知運行條件下的JFET TJ變化可以與檢查正常運行條件下器件老化的基準進(jìn)行對比。TJ過(guò)高可能標志著(zhù)使用壽命即將終止，讓您可以在發(fā)生嚴重故障前更換。因為T(mén)J響應速度達到微秒級，十分準確，所以還可以在瞬時(shí)事件中監視芯片升溫，從而在開(kāi)關(guān)損壞前關(guān)閉，例如在斷路器激活時(shí)。
在簡(jiǎn)單的4端子DG FET中，低壓FET中的開(kāi)態(tài)壓降會(huì )影響外部測量的VGS，因此必須進(jìn)行校正才能得到結溫。在引腳數較大的封裝中，可以直接使用JFET源極電勢來(lái)提高提取的TJ的準確性。也可以將DG FET作為兩個(gè)分立器件，并帶一個(gè)RDS(on)超低的邏輯電平SMT分立FET，而這可讓您直接接觸JFET柵極和源極。
圖6：固態(tài)斷路器（功率元件）的電路結構
固態(tài)斷路器
固態(tài)斷路器常用的電路實(shí)施如圖6所示。兩個(gè)開(kāi)關(guān)以共源極結構連接，提供雙向電壓閉鎖和電流?？鐔蝹€(gè)FET或一對FET使用RC緩沖電路（Rs，Cs）。瞬時(shí)電壓抑制器件（MOV，TVS）跨晶體管放置，用來(lái)吸收線(xiàn)路和負載電感在切斷電流時(shí)產(chǎn)生的電感能量。這種電路結構可以用于許多應用。例如，在電動(dòng)出行應用中，可使用此電路代替直流隔離開(kāi)關(guān)。因為所有電池能量都經(jīng)過(guò)固態(tài)開(kāi)關(guān)，所以額定值為500 - 1500 A，1200 V的斷路器需要不到1m?的電阻。這需要將許多器件并聯(lián)，而使用RDS(on)超低的器件可簡(jiǎn)化這一任務(wù)。
圖7顯示的實(shí)驗裝置可用于證實(shí)并聯(lián)雙柵極SiC FET和中斷大故障電流的能力。三個(gè)TO247-4L器件并聯(lián)，每個(gè)都是9 m?，1200 V，整體開(kāi)關(guān)電阻為3 m?。
圖7：固態(tài)斷路器測試電路示意圖，其中的開(kāi)關(guān)由三個(gè)雙柵極SiCFET并聯(lián)構成。SiC肖特基二極管D1-D4（UJ3D065200K3S）用作TVS（而不是MOV），以在關(guān)閉瞬間保護開(kāi)關(guān)。
左-圖8：1200 V雙柵極器件中的RDS(on)與溫度的關(guān)系
右-圖9：1200 V雙柵極器件中的Vth與溫度的關(guān)系
圖8表明器件導通電阻具有正溫度系數，確保在器件打開(kāi)時(shí)可以很好地分擔電流。這些器件與標準MOSFET一同運行，如在本測試中的-5至15 V柵極驅動(dòng)下，但是也可以使用0至12 V的單極柵極驅動(dòng)。在每個(gè)MOSFET和JFET柵極處都設有一個(gè)5 ?電阻以協(xié)助開(kāi)關(guān)期間的并聯(lián)運行。這個(gè)5 ? JFET RG會(huì )讓開(kāi)關(guān)關(guān)閉放緩。由于該電阻比JFET的固有柵極電阻大很多，它可幫助設置共源共柵的關(guān)閉速度，讓三個(gè)并聯(lián)器件的開(kāi)關(guān)行為匹配?？缑總€(gè)器件放置一個(gè)RC緩沖電路，因為這種結構可以盡量減小緩沖電路和開(kāi)關(guān)之間存在的雜散電感。JFET Vth隨溫度發(fā)生的輕微變化（圖9）對確保在開(kāi)關(guān)瞬間實(shí)現出色的電流分擔也十分重要。
圖10表明的是三個(gè)并聯(lián)FET的測量得到的關(guān)閉行為?？偩€(xiàn)電壓為400 V，TVS夾鉗是使用200 A，650 V SiC肖特基二極管UJ3D065200K3S創(chuàng )建的，該二極管可以吸收用于刺激線(xiàn)路電感的大小為2 μH電感的雪崩能量。在1000 A下，該能量為1 J，因此可以將三個(gè)此類(lèi)二極管并聯(lián)以提供足夠的裕度。柵極脈沖VGS用于讓電流在10 μs內漸變至1150 A，然后關(guān)閉。由于2 μH電感器中持續存在電流，器件電壓上升的速度取決于開(kāi)關(guān)速度（在此情況下，由JFET的RG決定），并且要使用緩沖電路。一旦器件達到由TVS二極管擊穿決定的鉗位電壓，電流就會(huì )傳輸至TVS二極管。如果采用這種布置，三個(gè)TO-247器件可以平穩關(guān)閉1150 A電流，如圖10所示。請注意，SiC FET中的電流會(huì )在不到500 ns的時(shí)間內中斷，然后傳輸至雪崩的TVS陣列。電流返回至零的5 μs持續時(shí)間是由峰值電流決定的，而下降的斜率則由BV(TVS)/L1決定。VDS波形中的短暫電壓峰值是開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)相對較快的di/dt以及器件和TVS二極管之間的雜散電感導致的。這可以通過(guò)降低關(guān)閉速度和/或調整RC緩沖電路來(lái)進(jìn)一步緩和。
圖10：在圖7所示的測試電路中，三個(gè)并聯(lián)1200 V雙柵極器件在1150 A下測量得到的關(guān)閉瞬態(tài)波形。TVS鉗位電壓約為900 V。
圖11將雙柵極器件適宜性研究擴展到了SOT-227封裝中的2 m?，1200 V模塊內，該模塊內共有6個(gè)此類(lèi)器件并聯(lián)?？梢允褂靡粋€(gè)22 ?電阻降低共源共柵結構的開(kāi)關(guān)速度，且器件配有一個(gè)11 ?，20 nF的緩沖電路。為了方便進(jìn)行電流較大的測試，線(xiàn)路電感器降低至0.4 μH，并使用五個(gè)并聯(lián)的200 A，650 V二極管作為T(mén)VS。圖12顯示的是測試得到的波形，此時(shí)，模塊用于中斷1950 A的峰值電流。VDS波形中的電壓峰值可以通過(guò)使用22 ?電阻調整JFET關(guān)閉和使用較大的RC緩沖電路來(lái)消除。
圖11：固態(tài)斷路器測試電路示意圖，其中的開(kāi)關(guān)是由SOT-227封裝中的雙柵極模塊與六個(gè)并聯(lián)的9 m?，1200 V器件構成的。它與封裝寄生元件一起形成了2.2 m?，1200 V且額定值大于300 A的器件。
商業(yè)應用
當然，完整的固態(tài)斷路器實(shí)施會(huì )使用兩個(gè)此類(lèi)開(kāi)關(guān)并讓它們以共源極結構相連。為了應對較大的電流，人們正在開(kāi)發(fā)使用更多并聯(lián)器件的模塊。雖然在這些示例中，在共源共柵形式下使用雙柵極器件是由標準硅MOSFET/IGBT柵極驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)的，但是更為復雜的實(shí)施可以使用低壓MOSFET作為啟動(dòng)開(kāi)關(guān)直接驅動(dòng)SiC JFET的柵極。這可以支持SIC JFET實(shí)現極低的導電損耗，還可以支持結溫感知能力。堆疊在JFET上的電流感知低壓MOSFET可以消除對昂貴的外部電流感知方式的需求。
SiC晶體管可以處理大量雪崩能量，最高可達給定面積的硅的4倍。然而，隨著(zhù)線(xiàn)路電感和電流增加，吸收SiC器件中的所有雪崩應力變得無(wú)法實(shí)現，從而導致需要使用并聯(lián)MOV器件。因此，固態(tài)斷路器解決方案的成本將取決于SiC開(kāi)關(guān)和所用MOV的成本。MOV的鉗制特性使其電阻要高得多，因此峰值電壓會(huì )比在這些演示中使用SiC TVS二極管時(shí)要高得多。MOV的大小經(jīng)過(guò)調整可讓峰值電壓低于SiC器件的額定擊穿電壓，如果SiC組件的額定電壓降低，則此MOV必須更大。在本文的示例中，總線(xiàn)電壓位于400 – 600 V范圍內，MOV讓峰值電壓保持在1200 V 以下以應對最糟糕的關(guān)閉電流，從而允許使用1200 V的SiC器件。理論上，可以將峰值電壓控制在1500 – 1700 V的成本較低的MOV可能要求使用1700 V器件，而這會(huì )讓SiC解決方案的成本提高接近一倍。換言之，SiC的成本和MOV的成本與體積之間存在此消彼長(cháng)的情況，這種逐漸變化伴隨著(zhù)斷路器必須承受的最糟糕的能量。在某些應用中，最終的體積和重量方面的考慮會(huì )限制斷路器的大小，導致需要額定電壓高且更昂貴的SiC斷路器。
圖12：在圖11所示的測試電路中，1200 V雙柵極模塊在1950 A下測得的關(guān)閉瞬態(tài)波形。TVS夾鉗電壓約為900 V。
隨著(zhù)SiC器件采用量的提高，它的成本在迅速降低，市場(chǎng)預測SiC器件的情況時(shí)大部分目光都集中在電動(dòng)車(chē)細分市場(chǎng)的可能增長(cháng)上。預計未來(lái)幾年內，產(chǎn)量驅動(dòng)的效率會(huì )將SiC晶圓的成本降低一半。預測中的SiC JFET技術(shù)的提升將會(huì )穩步降低RDSA，還將與產(chǎn)量帶來(lái)的效率一起將成本降到新低。圖13中顯示了這些因素以及預測的SiC收入增長(cháng)（來(lái)源：IHS Markit）。當前的大部分預測沒(méi)有計入大規模采用固態(tài)斷路器會(huì )帶來(lái)的影響，這大概是由于固態(tài)斷路器與機電斷路器的成本差異造成的。如果確實(shí)所有電池電量都要經(jīng)過(guò)固態(tài)斷路器，則僅電動(dòng)車(chē)中采用的固態(tài)斷路器就會(huì )讓預測的市場(chǎng)規模翻倍。如果將這種邏輯推廣到第三節中討論的其他應用領(lǐng)域，則即使生產(chǎn)和使用的直流電中只有一小部分經(jīng)過(guò)固態(tài)斷路器和控制器，市場(chǎng)潛力也會(huì )是圖13預想中的幾倍。
圖13：預測的SiC收入增長(cháng)，SiC晶圓成本的演變和技術(shù)進(jìn)步（RDSA降低）。固態(tài)斷路器可能會(huì )在二十一世紀二十年代的后五年內讓SiC市場(chǎng)翻倍。
結論
使用600 – 1200 V級半導體的固態(tài)斷路器可能正在接近其采用量的引爆點(diǎn)。鑒于SiC器件可以提供的低RDSA，它們格外適合這個(gè)電壓級，且事實(shí)表明，基于SiC JFET的解決方案在這方面表現出色。電動(dòng)車(chē)和其他應用領(lǐng)域的SiC整體市場(chǎng)的增長(cháng)正在形成一個(gè)良性循環(huán)，促使成本降低。技術(shù)進(jìn)步正在迅速降低SiC FET的RDSA，而且這種趨勢還會(huì )在未來(lái)幾年內繼續發(fā)展，使得RDSA再降低二分之一到三分之二。這些不斷自我強化的趨勢將推動(dòng)固態(tài)斷路器的成本效益的提高以及后續采用。對斷路器的所有系統級優(yōu)勢的了解和探索固態(tài)、這些器件提供的有助于監視降級情況的度量方法的能力，以及工業(yè)4.0現在顯現出來(lái)的趨勢都表明，固態(tài)電路保護領(lǐng)域即將發(fā)生重大變革。
（來(lái)源：UnitedSiC）
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