如何利用碳化硅打造下一代固態(tài)斷路器

如今，碳化硅 (SiC) 器件在電動(dòng)汽車 (EV) 和太陽能光伏 (PV) 應(yīng)用中帶來的性能優(yōu)勢已經(jīng)得到了廣泛認(rèn)可。不過，SiC 的材料優(yōu)勢還可能用在其他應(yīng)用中，其中包括電路保護(hù)領(lǐng)域。本文將回顧該領(lǐng)域的發(fā)展，同時(shí)比較機(jī)械保護(hù)和使用不同半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)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(hù)電力基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備

輸配電系統(tǒng)以及靈敏設(shè)備都需要妥善的保護(hù)，以防因?yàn)殚L時(shí)間過載和瞬態(tài)短路情況而受到損壞。隨著電力系統(tǒng)和電動(dòng)汽車使用的電壓越來越高，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(duì)這些高電流故障提供保護(hù)，我們需要超快速交流和直流斷路器。過去，機(jī)械斷路器一直是此類應(yīng)用的主要選擇，然而隨著工作要求越來越嚴(yán)苛，固態(tài)斷路器越來越受到歡迎。相較于機(jī)械斷路器，固態(tài)斷路器具有許多優(yōu)勢：

?穩(wěn)健性和可靠性：機(jī)械斷路器內(nèi)含活動(dòng)部件，因此相對(duì)易于受損。這意味著它們?nèi)菀讚p壞或因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)而意外自動(dòng)斷開，并且在使用期間，每次復(fù)位都會(huì)出現(xiàn)磨損。相比之下，固態(tài)斷路器不含活動(dòng)部件，因此更加穩(wěn)健可靠，也不太容易出現(xiàn)意外損壞，因此能夠反復(fù)進(jìn)行數(shù)千次斷開/閉合操作。

?溫度靈活性：機(jī)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(diào)節(jié)，因此它能夠更加靈活地適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

?遠(yuǎn)程配置：機(jī)械斷路器在跳閘后需要人工手動(dòng)復(fù)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(guī)模部署的情況下，另外也可能存在安全隱患。而固態(tài)斷路器則可以通過有線或無線連接進(jìn)行遠(yuǎn)程復(fù)位。

?開關(guān)速度更快且不會(huì)產(chǎn)生電?。簷C(jī)械斷路器在開關(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(fù)載設(shè)備。固態(tài)斷路器采用軟啟動(dòng)方法，可以保護(hù)電路不受這些感應(yīng)電壓尖峰和電容浪涌電流的影響，而且開關(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(jī)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(jī)械斷路器，固態(tài)斷路器重量更輕、體積更小。

現(xiàn)有固態(tài)斷路器的局限性

雖然固態(tài)斷路器相較于機(jī)械斷路器具有多項(xiàng)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(dǎo)通損耗更高且價(jià)格更貴。通常，對(duì)于交流應(yīng)用，固態(tài)斷路器基于可控硅整流器 (TRIAC)，而對(duì)于直流系統(tǒng)，則基于標(biāo)準(zhǔn)平面 MOSFET。TRIAC 或 MOSFET 負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，而光隔離驅(qū)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，這就意味著它們無法達(dá)到與機(jī)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(xiàn)的固態(tài)斷路器也需要散熱片，因?yàn)楫?dāng)電流超過幾十安培時(shí)，飽和電壓會(huì)導(dǎo)致過多的功率損耗。舉例來說，當(dāng)電流為 500 安培時(shí)，IGBT 上的 2V 壓降會(huì)產(chǎn)生高達(dá) 1000W 的功率損耗。對(duì)于同等功率水平，MOSFET 需要具有約 4 m? 的導(dǎo)通電阻。隨著電動(dòng)汽車中器件的電壓額定值朝著 800V（甚至更高）發(fā)展，目前沒有單一器件能夠?qū)崿F(xiàn)這一電阻水平。雖然理論上可以通過并聯(lián)多個(gè)器件來實(shí)現(xiàn)該數(shù)字，但這樣的做法會(huì)顯著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(dǎo)通電阻條件下，尺寸可以縮小多達(dá)十倍。此外，與硅器件相比，SiC 器件的開關(guān)速度至少快 100 倍，并且它可以在高達(dá)兩倍以上的峰值溫度下工作。同時(shí)，SiC 具有出色的導(dǎo)熱性能，因此在高電流水平下具有更好的穩(wěn)健性。安森美利用 SiC 的這些特性開發(fā)了一系列 EliteSiC 功率模塊，其 1200V 器件的導(dǎo)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(jié)芯片技術(shù)（將兩個(gè)獨(dú)立芯片燒結(jié)在一個(gè)封裝內(nèi)）甚至在高功率水平下也能提供可靠的產(chǎn)品性能。由于具備快速開關(guān)行為和高熱導(dǎo)率，因此該類器件可以在故障發(fā)生時(shí)快速而安全地“跳閘”（斷開電路），阻止電流流動(dòng)，直到恢復(fù)正常工作條件為止。這樣的模塊展示了越來越有可能將多個(gè) SiC MOSFET 器件集成到單個(gè)封裝中，以實(shí)現(xiàn)低導(dǎo)通電阻和小尺寸，從而滿足實(shí)際斷路器應(yīng)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(yīng)用的固態(tài)斷路器。安森美具有垂直整合的 SiC 供應(yīng)鏈，能夠提供近乎零缺陷的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品經(jīng)過全面的可靠性測試，能夠滿足固態(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(yīng)鏈

下圖展示了固態(tài)斷路器的模塊化實(shí)現(xiàn)方式，其中以并聯(lián)配置連接多個(gè) 1200V SiC 芯片和多個(gè)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)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(yīng)，提高開關(guān)性能和縮短故障響應(yīng)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，而另一些則無底板，以便滿足不同的應(yīng)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(yīng)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(jī)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(jī)械斷路器容易因?yàn)榉磸?fù)使用而發(fā)生磨損，并且復(fù)位或更換會(huì)產(chǎn)生昂貴的人工維護(hù)成本。隨著電動(dòng)汽車的日益普及，市場對(duì)斷路器和 SiC 器件的需求將持續(xù)增長，因此這種寬禁帶技術(shù)的成本競爭力會(huì)日益增強(qiáng)，并且其對(duì)固態(tài)斷路器方案的吸引力也會(huì)不斷增加。隨著 SiC 工藝技術(shù)的不斷進(jìn)步和獨(dú)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(dá)到與機(jī)械斷路器相媲美的水平，那時(shí)功率損耗將不再是個(gè)問題?；?SiC 器件的固態(tài)斷路器具備開關(guān)速度快、無電弧以及零維護(hù)等優(yōu)勢，能夠帶來顯著的成本節(jié)約，因此必將成為市場廣泛采用的主流選擇。