【導讀】如今，碳化硅 (SiC) 器件在電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和太陽(yáng)能光伏 (PV) 應用中帶來(lái)的性能優(yōu)勢已經(jīng)得到了廣泛認可。不過(guò)，SiC 的材料優(yōu)勢還可能用在其他應用中，其中包括電路保護領(lǐng)域。本文將回顧該領(lǐng)域的發(fā)展，同時(shí)比較機械保護和使用不同半導體器件實(shí)現的固態(tài)斷路器 (SSCB) 的優(yōu)缺點(diǎn)。最后，本文還將討論為什么 SiC 固態(tài)斷路器日益受到人們青睞。
如今，碳化硅 (SiC) 器件在電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和太陽(yáng)能光伏 (PV) 應用中帶來(lái)的性能優(yōu)勢已經(jīng)得到了廣泛認可。不過(guò)，SiC 的材料優(yōu)勢還可能用在其他應用中，其中包括電路保護領(lǐng)域。本文將回顧該領(lǐng)域的發(fā)展，同時(shí)比較機械保護和使用不同半導體器件實(shí)現的固態(tài)斷路器 (SSCB) 的優(yōu)缺點(diǎn)。最后，本文還將討論為什么 SiC 固態(tài)斷路器日益受到人們青睞。
保護電力基礎設施和設備
輸配電系統以及靈敏設備都需要妥善的保護，以防因為長(cháng)時(shí)間過(guò)載和瞬態(tài)短路情況而受到損壞。隨著(zhù)電力系統和電動(dòng)汽車(chē)使用的電壓越來(lái)越高，可能的最大故障電流也比以往任何時(shí)候都更高。為了針對這些高電流故障提供保護，我們需要超快速交流和直流斷路器。過(guò)去，機械斷路器一直是此類(lèi)應用的主要選擇，然而隨著(zhù)工作要求越來(lái)越嚴苛，固態(tài)斷路器越來(lái)越受到歡迎。相較于機械斷路器，固態(tài)斷路器具有許多優(yōu)勢：
·穩健性和可靠性：機械斷路器內含活動(dòng)部件，因此相對易于受損。這意味著(zhù)它們容易損壞或因為運動(dòng)而意外自動(dòng)斷開(kāi)，并且在使用期間，每次復位都會(huì )出現磨損。相比之下，固態(tài)斷路器不含活動(dòng)部件，因此更加穩健可靠，也不太容易出現意外損壞，因此能夠反復進(jìn)行數千次斷開(kāi)/閉合操作。
·溫度靈活性：機械斷路器的工作溫度取決于其制造材料，因此在工作溫度方面存在一定的限制。相比之下，固態(tài)斷路器的工作溫度更高并且可以調節，因此它能夠更加靈活地適應不同的工作環(huán)境。
·遠程配置：機械斷路器在跳閘后需要人工手動(dòng)復位，這可能非常耗時(shí)且成本高昂，特別是在多個(gè)安裝點(diǎn)進(jìn)行大規模部署的情況下，另外也可能存在安全隱患。而固態(tài)斷路器則可以通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)連接進(jìn)行遠程復位。
·開(kāi)關(guān)速度更快且不會(huì )產(chǎn)生電?。簷C械斷路器在開(kāi)關(guān)時(shí)可能會(huì )產(chǎn)生較大的電弧和電壓波動(dòng)，足以損壞負載設備。固態(tài)斷路器采用軟啟動(dòng)方法，可以保護電路不受這些感應電壓尖峰和電容浪涌電流的影響，而且開(kāi)關(guān)速度要快得多，在發(fā)生故障時(shí)只需幾毫秒即可切斷電路。
·靈活的電流額定值：固態(tài)斷路器具有可編程的電流額定值，而機械斷路器則具有固定的電流額定值。
·尺寸更小、重量更輕：相較于機械斷路器，固態(tài)斷路器重量更輕、體積更小。
現有固態(tài)斷路器的局限性
雖然固態(tài)斷路器相較于機械斷路器具有多項優(yōu)勢，但它們也存在一些缺點(diǎn)，具體包括電壓/電流額定值受限制、導通損耗更高且價(jià)格更貴。通常，對于交流應用，固態(tài)斷路器基于可控硅整流器 (TRIAC)，而對于直流系統，則基于標準平面 MOSFET。TRIAC 或 MOSFET 負責實(shí)現開(kāi)關(guān)功能，而光隔離驅動(dòng)器則用作控制元件。然而，在具有高輸出電流的情況下，基于 MOSFET 的高電流固態(tài)斷路器需要使用散熱片，這就意味著(zhù)它們無(wú)法達到與機械斷路器相同的功率密度水平。
同樣地，使用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 實(shí)現的固態(tài)斷路器也需要散熱片，因為當電流超過(guò)幾十安培時(shí)，飽和電壓會(huì )導致過(guò)多的功率損耗。舉例來(lái)說(shuō)，當電流為 500 安培時(shí)，IGBT 上的 2V 壓降會(huì )產(chǎn)生高達 1000W 的功率損耗。對于同等功率水平，MOSFET 需要具有約 4 m? 的導通電阻。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)中器件的電壓額定值朝著(zhù) 800V（甚至更高）發(fā)展，目前沒(méi)有單一器件能夠實(shí)現這一電阻水平。雖然理論上可以通過(guò)并聯(lián)多個(gè)器件來(lái)實(shí)現該數字，但這樣的做法會(huì )顯著(zhù)增加方案的尺寸和成本，尤其是在需要處理雙向電流的情況下。
使用 SiC 功率模塊打造下一代固態(tài)斷路器
與硅芯片相比，SiC 芯片在相同額定電壓和導通電阻條件下，尺寸可以縮小多達十倍。此外，與硅器件相比，SiC 器件的開(kāi)關(guān)速度至少快 100 倍，并且它可以在高達兩倍以上的峰值溫度下工作。同時(shí)，SiC 具有出色的導熱性能，因此在高電流水平下具有更好的穩健性。安森美利用 SiC 的這些特性開(kāi)發(fā)了一系列 EliteSiC 功率模塊，其 1200V 器件的導通電阻低至 1.7m?。這些模塊在單個(gè)封裝中集成了兩到六個(gè) SiC MOSFET。
燒結芯片技術(shù)（將兩個(gè)獨立芯片燒結在一個(gè)封裝內）甚至在高功率水平下也能提供可靠的產(chǎn)品性能。由于具備快速開(kāi)關(guān)行為和高熱導率，因此該類(lèi)器件可以在故障發(fā)生時(shí)快速而安全地“跳閘”（斷開(kāi)電路），阻止電流流動(dòng)，直到恢復正常工作條件為止。這樣的模塊展示了越來(lái)越有可能將多個(gè) SiC MOSFET 器件集成到單個(gè)封裝中，以實(shí)現低導通電阻和小尺寸，從而滿(mǎn)足實(shí)際斷路器應用的需求。此外，安森美還提供承受電壓范圍為 650V 到 1700V 的 EliteSiC MOSFET 和功率模塊，因此這些器件也可用于打造適合單相和三相家庭、商業(yè)和工業(yè)應用的固態(tài)斷路器。安森美具有垂直整合的 SiC 供應鏈，能夠提供近乎零缺陷的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品經(jīng)過(guò)全面的可靠性測試，能夠滿(mǎn)足固態(tài)斷路器制造商的需求。
圖 1：安森美完整的端到端碳化硅 (SiC) 供應鏈
下圖展示了固態(tài)斷路器的模塊化實(shí)現方式，其中以并聯(lián)配置連接多個(gè) 1200V SiC 芯片和多個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現了極低的 rdson 和優(yōu)化的散熱效果。下方這些完全集成的模塊具有優(yōu)化的引腳位置和布局，有助于減少寄生效應，提高開(kāi)關(guān)性能和縮短故障響應時(shí)間。安森美提供豐富多樣的 SiC 模塊產(chǎn)品組合，模塊額定電壓為 650V、1200V 和 1700V，并且其中一些模塊帶有底板，而另一些則無(wú)底板，以便滿(mǎn)足不同的應用需求和效率需求。
圖 2：適用于固態(tài)斷路器的 SiC B2B 模塊- 480VAC -200A
圖 3：適用于固態(tài)斷路器應用的安森美模塊
SiC 技術(shù)和固態(tài)斷路器將共同發(fā)展
機械斷路器具有低功率損耗和更高的功率密度，目前價(jià)格也低于固態(tài)斷路器。另外，機械斷路器容易因為反復使用而發(fā)生磨損，并且復位或更換會(huì )產(chǎn)生昂貴的人工維護成本。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的日益普及，市場(chǎng)對斷路器和 SiC 器件的需求將持續增長(cháng)，因此這種寬禁帶技術(shù)的成本競爭力會(huì )日益增強，并且其對固態(tài)斷路器方案的吸引力也會(huì )不斷增加。隨著(zhù) SiC 工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步和獨立 SiC MOSFET 的電阻進(jìn)一步降低，固態(tài)斷路器的功率損耗最終會(huì )達到與機械斷路器相媲美的水平，那時(shí)功率損耗將不再是個(gè)問(wèn)題?；?nbsp;SiC 器件的固態(tài)斷路器具備開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)電弧以及零維護等優(yōu)勢，能夠帶來(lái)顯著(zhù)的成本節約，因此必將成為市場(chǎng)廣泛采用的主流選擇。
（作者: 安森美電源方案事業(yè)群工業(yè)方案部高級總監Sravan Vanaparthy）
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