機械斷路器損耗小，但速度很慢，且容易磨損。本博文概述如何通過采用 SiC FET 的固態(tài)解決方案解決這些問題，并且損耗也會持續(xù)降低。

這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發(fā)布，該公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領(lǐng)先的碳化硅 (SiC) 功率半導體制造商，它的加入促使 Qorvo 將業(yè)務(wù)擴展到電動汽車 (EV)、工業(yè)電源、電路保護、可再生能源和數(shù)據(jù)中心電源等快速增長的市場。

工程界有一句諺語：“會動的都會壞”。我們都知道，像風扇或繼電器這樣的機械部件通常是第一個出現(xiàn)故障的，在關(guān)鍵系統(tǒng)中，我們需要使用預防性維護程序，及時更換可能存在問題的部件，以防萬一發(fā)生故障。更糟糕的是，當機械部件以較高的正常應(yīng)力水平運轉(zhuǎn)時，仍必須在緊急情況下確保性能可靠，比如：與電動汽車電池串聯(lián)的接觸斷路器。

在這種情況下，運行的電流可達到數(shù)百安培，當發(fā)生短路而必須斷開斷路器時，電流可達數(shù)千安培。此時電壓也比較高，通常高于 400VDC，當故障電流被切斷時，由于存在連接電感，電壓峰值還會更高。電壓會導致產(chǎn)生電弧，而電弧會使斷路器觸點汽化，并且因為是直流電，不像交流電那樣存在可以熄滅電弧的過零點，所以電弧還會持續(xù)存在。同時，導通和斷開的速度也很緩慢，大約要幾十毫秒，從而可能會導致在短路條件下出現(xiàn)破壞性允通能量。隨著斷路器老化，它會變得越來越慢，且損耗也越來越大?？偠灾?，在大電流機械斷路器的使用過程中會遇到諸多困難，因此必須打造得堅固耐用，有時還需要采用特殊方法來消除電弧，比如：產(chǎn)生一些壓縮氣體或使用磁性滅弧線圈。

自然而然地，可以替代機械斷路器的固態(tài)斷路器 (SSCB) 出現(xiàn)了，新的斷路器使用了幾乎所有可用的半導體技術(shù)制造，包括 MOSFET、IGBT、SCR 和 IGCT 等技術(shù)，可以很好地解決電弧和機械磨損問題。固態(tài)斷路器的最大缺點就是壓降，比如說，IGBT 在 500A 下的壓降為 1.7V，從而會產(chǎn)生 850W 功耗，令人大失所望。IGCT 的壓降可能較低，但體積非常大。MOSFET 并沒有像 IGBT 那樣的 “拐點” 電壓，但有導通電阻。為了在 IGBT 的基礎(chǔ)上加以改良，RDS(on)?需低于3.4 毫歐，且額定電壓應(yīng)高于 400V，而這是目前單個 MOSFET 無法實現(xiàn)的。并聯(lián)多個 MOSFET 也許可以做到，但成本會急劇攀升，如果您還需要雙向?qū)щ娔芰?，則成本還會再次翻倍。機電斷路器不便宜，但相比之下仍具有成本優(yōu)勢。

SiC 會帶來改變嗎？

那么，神奇的寬帶隙半導體新技術(shù)能否彌補不足？在晶粒面積相同的情況下，碳化硅開關(guān)的導通電阻比硅開關(guān)低 10 倍左右，具有更出色的熱導率，可以耗散所有熱量，因此能夠應(yīng)對兩倍的最高溫度。如此便能在小型封裝內(nèi)并聯(lián)足夠多的晶粒，以在 IGBT 基礎(chǔ)上改進并用作 SSCB，而?SiC FET?則是一個理想的備選技術(shù)。SiC JFET 和 Si-MOSFET 的共源共柵結(jié)構(gòu)易于驅(qū)動，并且具有在當前開關(guān)技術(shù)中十分出色的 RDS(on)?x A?品質(zhì)因數(shù)。UnitedSiC 做了一個 SSCB 相關(guān)示范。通過將其 6 個 1200V 雙柵極晶粒并聯(lián)，并采用 SOT-227 封裝以 1200V/300A 的額定值，實現(xiàn)了 2.2 毫歐電阻。在測試中，該原型安全地中斷了近 2000A 的故障電流，波形如圖所示。

圖 1：安全中斷近 2000A 電流的 SiC FET SSCB

如果將內(nèi)部 JFET 柵極引出至單獨的引腳，則可以在快速開關(guān)應(yīng)用中更直接地控制邊緣速率，并高效地為 SSCB 等應(yīng)用提供所需的可選常閉、常開操作?？陕晕⒄蚱?JFET 柵極的特性也能稍微提高導通電阻。不過該原型還存在另一個特性，那就是高于約 2V 正電壓時，溝道完全導通，柵極就像是正向偏置二極管。如果輸入固定的低電流，二極管的實際拐點電壓與晶圓溫度具有確切的相關(guān)性。我們可以對其進行測量，并將其用于快速過溫檢測，通過記錄溫度變化趨勢還可以幫助長期監(jiān)測運行健康狀態(tài)。

SiC FET SSCB 取代機電斷路器

是一個正確的發(fā)展趨勢

SiC FET 為更高電流的 SSCB 應(yīng)用開辟了新路，隨著技術(shù)的發(fā)展，其損耗只會更低。并聯(lián)多個器件有可能實現(xiàn)與機械斷路器相當?shù)淖罱K損耗，而且隨著晶粒的改進，給定電阻所需的晶粒數(shù)量必然會減少，未來所需的成本未必仍是阻礙因素。未來幾年，電動汽車銷量的增長將促使斷路器市場膨脹，帶來規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)，所以 SiC 晶圓成本必然會減半?？紤]到機電解決方案的維護和更換成本，這一點將更具說服力。

審核編輯：劉清