【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(lái)都是成功之選。但是現在，寬帶隙半導體讓固態(tài)斷路器更具吸引力。
在打開(kāi)狀態(tài)下，機械斷路器是一種幾乎無(wú)損耗的安全連接方法，在關(guān)閉狀態(tài)下，它能實(shí)現徹底隔離，但是也并非沒(méi)有缺點(diǎn)。它打開(kāi)和關(guān)閉的速度相對較慢，并會(huì )在接觸點(diǎn)之間釋放電弧，尤其是在使用直流電時(shí)，這會(huì )導致運行壽命縮短。機械斷路器的新應用，尤其是電動(dòng)車(chē)中的應用，現已將零件性能發(fā)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(lái)切斷連接，則在一次短路后就會(huì )允許通過(guò)數十焦耳能量，這會(huì )造成顯著(zhù)損壞。
固態(tài)斷路器是一種有局限性的選擇
因為切斷連接的時(shí)間短得多、完全沒(méi)有電弧和服務(wù)壽命長(cháng)，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，成本和導電損耗比機械斷路器高。如果采用IGBT制作固態(tài)斷路器，則不可避免的飽和電壓會(huì )導致超過(guò)數十安的過(guò)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的導通電阻低且可控，在小電流下的壓降比IGBT低得多，但是隨著(zhù)電流升高，功率也會(huì )以電流平方的速度上升。這意味著(zhù)，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(gè)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(shù)的領(lǐng)域，但是在單個(gè)器件中，在超過(guò)400V的典型電動(dòng)車(chē)電池電壓所需的額定值下，這些導通電阻級別目前無(wú)法實(shí)現。十個(gè)器件并聯(lián)可能可以接近這些級別，但是成本會(huì )急劇上升，而且如果像在電動(dòng)車(chē)應用中的常態(tài)一樣需要雙向電流，則還會(huì )加倍。因此，即使考慮機電解決方案的終身維護成本，固態(tài)解決方案的成本也是一大障礙。表1總結了固態(tài)斷路器與機電斷路器的優(yōu)缺點(diǎn)。
【表1：固態(tài)斷路器和機械斷路器比較】
碳化硅將成為固態(tài)斷路器的可行技術(shù)
現已推出的寬帶隙半導體開(kāi)關(guān)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(tài)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(yōu)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(guò)來(lái)，晶粒面積與硅相同，導通電阻是硅的十分之一。還有一個(gè)好處，SiC運行時(shí)的峰值溫度超過(guò)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)技術(shù)中，雖然部分應用能夠從器件在缺乏柵極控制時(shí)會(huì )短路的事實(shí)中受益，但是JFET在柵極電壓為零時(shí)常開(kāi)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(shí)，該組合為常關(guān)型，可通過(guò)簡(jiǎn)單的0-12V柵極驅動(dòng)輕松控制。這種結構就是SiC FET（圖1中間）。因為包含串聯(lián)的低壓MOSFET，共源共柵的導通電阻比單個(gè)SiC JFET高5-15%，但是露出兩個(gè)器件柵極以實(shí)現外部控制的共源共柵版本能通過(guò)微調驅動(dòng)電壓來(lái)將導通電阻降至極小。此類(lèi)器件被稱(chēng)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?！岸询B”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(guān)系（圖2）。鑒于在采用DG FET時(shí)可實(shí)現柵極連接，這一對應關(guān)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(cháng)期監視器件健康狀況。在有持續大電流的固態(tài)斷路器應用中，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確的對應關(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(jiǎn)單。JFET上的柵極電阻可將開(kāi)關(guān)速度控制到實(shí)用級別，以避免不穩定和電磁干擾，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(guò)沖。不可避免地，固態(tài)斷路器有顯著(zhù)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(jīng)受關(guān)閉時(shí)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(tài)斷路器】
在實(shí)踐中，我們使用SiC FET固態(tài)斷路器的目標是在IGBT基礎上進(jìn)一步改進(jìn)，讓整體導通電阻維持在3毫歐左右，可以用并聯(lián)SiC FET晶粒配置。對于單向開(kāi)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）的額定電阻，額定電壓為1200V，電流超過(guò)300A，可裝入小巧的SOT227標準空間中，與額定值類(lèi)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(tài)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(tài)斷路器的未來(lái)
目前，機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(chē)級器件。在電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量激增的背景下，斷路器市場(chǎng)也在擴大，在此情況下，固態(tài)斷路器也會(huì )隨著(zhù)SiC在逆變器中的使用和單位成本的降低而從規模經(jīng)濟中獲益。與此同時(shí)，鑒于寬帶隙半導體技術(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(wú)論如何價(jià)格都會(huì )持續降低。例如，據預測，在未來(lái)幾年內，SiC FET的性能表征Rds.A將提高2到3倍，晶圓成本會(huì )減半。
由于開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)電弧、免維護帶來(lái)的切實(shí)成本節省，采用SiC FET的固態(tài)斷路器必然會(huì )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(xiàn)纜連接低得多時(shí)，即使損耗比較也不會(huì )再是一個(gè)問(wèn)題。
轉自《功率系統設計》
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