由于低损耗和低于其他选择的成本，机械断路器一直以来都是成功之选。但是现在，宽带隙半导体让固态断路器更具吸引力
作者：Anup Bhalla，工程副总裁，UnitedSiC
 
在打开状态下，机械断路器是一种几乎无损耗的安全连接方法，在关闭状态下，它能实现彻底隔离，但是也并非没有缺点。它打开和关闭的速度相对较慢，并会在接触点之间释放电弧，尤其是在使用直流电时，这会导致运行寿命缩短。机械断路器的新应用，尤其是电动车中的应用，现已将零件性能发挥到极限，运行电流达到了数百安，而潜在故障电流达到数千安。如果需要约10毫秒来切断连接，则在一次短路后就会允许通过数十焦耳能量，这会造成显著损坏。
 
固态断路器是一种有局限性的选择
因为切断连接的时间短得多、完全没有电弧和服务寿命长，固态断路器（SSCB）一直都是一种选择，但是它的额定电压有限，成本和导电损耗比机械断路器高。如果采用IGBT制作固态断路器，则不可避免的饱和电压会导致超过数十安的过多功率损耗，从而必须采用能大量散热的技术，让解决方案本就高昂的成本进一步提高。硅MOSFET的导通电阻低且可控，在小电流下的压降比IGBT低得多，但是随着电流升高，功率也会以电流平方的速度上升。这意味着，以500安为例，IGBT的压降可能为1.7V，功耗达到850W，而MOSFET可能需要一个3.4毫欧的导通电阻才能达到相同功率。虽然这是低压下的现代MOSFET技术的领域，但是在单个器件中，在超过400V的典型电动车电池电压所需的额定值下，这些导通电阻级别目前无法实现。十个器件并联可能可以接近这些级别，但是成本会急剧上升，而且如果像在电动车应用中的常态一样需要双向电流，则还会加倍。因此，即使考虑机电解决方案的终身维护成本，固态解决方案的成本也是一大障碍。表1总结了固态断路器与机电断路器的优缺点。
 

表1：固态断路器和机械断路器比较
 
碳化硅将成为固态断路器的可行技术
现已推出的宽带隙半导体开关具有比硅超结MOSFET更好的导通电阻与晶粒面积乘积（Rds.A），因而可以考虑将其用于固态断路器应用。在考虑Rds.A（漏源电阻乘以晶粒面积）与击穿电压之间的取舍后，可以在基本层面上看到这种优势：理论上，SiC比硅好10倍左右，因此，在相同额定电压和导通电阻下，晶粒面积是硅的十分之一，或者反过来，晶粒面积与硅相同，导通电阻是硅的十分之一。还有一个好处，SiC运行时的峰值温度超过硅的两倍，且作为材料，导热系数也好得多，从而让峰值功耗的处理更加安全。
                                                  
SiC开关可以采用MOSFET或JFET（图1左）方式构造，后者具有更好的Rds.A性能表征。在功率转换开关技术中，虽然部分应用能够从器件在缺乏栅极控制时会短路的事实中受益，但是JFET在栅极电压为零时常开的特征被视为一种劣势。而SiC JFET还能以“共源共栅”结构与低压硅MOSFET相连，此时，该组合为常关型，可通过简单的0-12V栅极驱动轻松控制。这种结构就是SiC FET（图1中间）。因为包含串联的低压MOSFET，共源共栅的导通电阻比单个SiC JFET高5-15%，但是露出两个器件栅极以实现外部控制的共源共栅版本能通过微调驱动电压来将导通电阻降至极小。此类器件被称为“双栅极FET”或DG FET（图1右）。在SiC FET和DG FET构造中，一同封装的低压硅MOSFET晶粒“堆叠”在SiC JFET晶粒上方，如图所示。
 

图1：JFET（左）、SiC FET共源共栅（中）和双栅极SiC FET共源共栅（右）
 
SiC JFET可感知自身温度
SiC JFET的栅极看上去像是前向偏置的二极管，二极管适用电压为+2V左右。在此情况下，JFET很有吸引力，而且对于固定偏置电流，比如1mA的固定偏置电流，晶粒温度和导致的栅极电压之间有准确的对应关系（图2）。鉴于在采用DG FET时可实现栅极连接，这一对应关系可用于执行准确而快速的晶粒温度测量，以保护器件和长期监视器件健康状况。在有持续大电流的固态断路器应用中，这是一个宝贵的功能。
 

图2：SiC JFET栅极的“膝点”电压与晶粒温度有准确的对应关系
 
实用的解决方案
双向固态断路器可以像图3中使用SiC FET共源共栅的器件一样简单。JFET上的栅极电阻可将开关速度控制到实用级别，以避免不稳定和电磁干扰，而“缓冲电路”网Rs、Cs可帮助抑制关闭时的任何电压过冲。不可避免地，固态断路器有显著的外部连接电感和相应的存储能量，而SiC FET有强大的雪崩额定值，可经受关闭时导致的电压峰值，但是图示的MOV也有助于限制电压，而且比使用额定电压更高的SiC FET更具成本效益，后者的Rds(on)肯定更高。
 

图3：使用SiC FET作为双向固态断路器
在实践中，我们使用SiC FET固态断路器的目标是在IGBT基础上进一步改进，让整体导通电阻维持在3毫欧左右，可以用并联SiC FET晶粒配置。对于单向开关，它可能含UnitedSiC生产的六个并联的9毫欧、1200V器件，从而联合形成2.2毫欧（考虑了封装寄生效应）的额定电阻，额定电压为1200V，电流超过300A，可装入小巧的SOT227标准空间中，与额定值类似的IGBT解决方案相当。图4表明此结构可轻松中断1950A的峰值故障电流。
 

图4：SiC FET固态断路器安全地中断接近2000A的电流
 
SiC FET导通电阻的温度系数良好，有助于确保器件能很好地分担电流，与在小电流下不具备天然平衡效应的IGBT形成鲜明对比。
 
固态断路器的未来
目前，机械断路器可能具有价格优势，但是仍不属于低成本器件，尤其是汽车级器件。在电动车销量激增的背景下，断路器市场也在扩大，在此情况下，固态断路器也会随着SiC在逆变器中的使用和单位成本的降低而从规模经济中获益。与此同时，鉴于宽带隙半导体技术仍处于发展初期且距离理论性能极限和最佳制程良率仍有一段距离，无论如何价格都会持续降低。例如，据预测，在未来几年内，SiC FET的性能表征Rds.A将提高2到3倍，晶圆成本会减半。
由于开关速度快、无电弧、免维护带来的切实成本节省，采用SiC FET的固态断路器必然会成为首选的解决方案。当SiC FET R_DS(on)变得与机械接触电阻相当且肯定比外部线缆连接低得多时，即使损耗比较也不会再是一个问题。
 
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