【導讀】工程界有一句諺語：“會動的就會斷。”我們都知道，機械部件通常是第一個出故障的，比如風扇或繼電器，而在電路系統(tǒng)中，您需要一套進行前瞻性維護和更換這些部件的程序來“以防萬一”。當機械部件在正常運行時的應(yīng)力水平高，然后必須在緊急情況下做出可靠反應(yīng)時，情況會更糟，例如與電動車電池串聯(lián)的接觸式斷路器。
機械斷路器損耗低，但是速度慢而且會磨損。采用SiC FET的固態(tài)斷路器可以解決這些問題且其損耗開始降低。
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工程界有一句諺語：“會動的就會斷。”我們都知道，機械部件通常是第一個出故障的，比如風扇或繼電器，而在電路系統(tǒng)中，您需要一套進行前瞻性維護和更換這些部件的程序來“以防萬一”。當機械部件在正常運行時的應(yīng)力水平高，然后必須在緊急情況下做出可靠反應(yīng)時，情況會更糟，例如與電動車電池串聯(lián)的接觸式斷路器。
在這種情況下，運行電流可能達到數(shù)百安，而在斷路器必須切斷的短路情況下，電流可能達到數(shù)千安。電壓很高，通常高于400V直流電，而且在故障電流中斷時，由于連接電感，電壓峰值還會更高。電壓會造成電弧，電弧會讓斷路器觸點汽化，而且由于是直流電，電弧會持續(xù)存在，還不像交流電一樣存在能消除電弧的零點交叉。接通和斷開的速度也慢，需要數(shù)十毫秒，從而允許在短路情況下通過能造成損壞的能量。隨著斷路器老化，它還會變得更慢，損耗更大。總而言之，大電流機械斷路器面對著重重困難，因此必須打造得很堅固，有時還要使用奇特的方法清除電弧，如制造多股壓縮氣體氣流或使用磁性滅弧線圈。
自然而然地，人們設(shè)計出了固態(tài)斷路器（SSCB）作為替代方案，并使用幾乎所有可用的半導體技術(shù)進行制造，包括從MOSFET到IGBT、SCR和IGCT。它們很好地解決了電弧和機械磨損問題。它們的嚴重缺點在于壓降，以IGBT為例，它在500A下可能會產(chǎn)生1.7V壓降，從而造成糟糕的850W損耗。IGCT的壓降可能較低，但是體積很大。MOSFET沒有IGBT那樣的“膝點”電壓，但是有導通電阻。為了在IGBT基礎(chǔ)上進行改進，該RDS(on)可能需要小于3.4毫歐，且額定電壓高于400V，而目前還無法用單個MOSFET實現(xiàn)這一要求。多個MOSFET并聯(lián)可以實現(xiàn)這一要求，但是成本也會劇增，而且如果您需要雙向?qū)щ娔芰Γ瑒t成本還會翻倍。機電斷路器不便宜，但是仍具有成本優(yōu)勢。
SiC會帶來改變嗎？
神奇的新寬帶隙半導體技術(shù)能彌補不足嗎？在相同的晶粒面積下，碳化硅開關(guān)的導通電阻大約比硅好10倍，而且它的導熱系數(shù)也好得多，能讓熱量散發(fā)出去，從而能應(yīng)對雙倍的最高溫度。這讓人們能夠在小封裝中并聯(lián)足夠的晶粒以在充當固態(tài)斷路器的IGBT基礎(chǔ)上進行改進，而SiC FET是理想的候選技術(shù)。SiC JFET和Si-MOSFET的共源共柵結(jié)構(gòu)易于驅(qū)動，具有在當前開關(guān)技術(shù)中十分出眾的RDS(on) x A 性能表征。作為固態(tài)斷路器的論證者，UnitedSiC在1200V和300A額定值的SOT-227封裝中將六個自己生產(chǎn)的1200V雙柵極晶粒并聯(lián)，實現(xiàn)了2.2毫歐電阻。在測試中，該原型安全地中斷了接近2000A的故障電流，波形見圖示。
【圖1. SiC FET固態(tài)斷路器安全地中斷接近2000A的電流】
如果內(nèi)部JFET柵極顯露出來并連接到單獨的針腳，則可以在快速開關(guān)應(yīng)用中對邊緣速率進行更直接的控制，并提供固態(tài)斷路器等部分應(yīng)用中可能需要的高效、可選常關(guān)或常開運行。略微正向偏移JFET柵極的能力也會稍稍提高導通電阻。不過另一個特征會顯現(xiàn)出來，那就是在正2V左右以上，溝道會完全導電，柵極會充當正向偏壓二極管。現(xiàn)在，如果注入固定小電流，則二極管的實際膝點電壓與晶粒溫度會有精確的關(guān)聯(lián)。這一特征可以被測量，并用于執(zhí)行快速超溫檢測，如果記錄溫度趨勢，甚至可以實現(xiàn)長期運行狀況檢測。
SiC FET固態(tài)斷路器取代機電斷路器的趨勢不斷加強
SiC FET打開了大電流的固態(tài)斷路器應(yīng)用的大門，且其損耗只會隨著技術(shù)進步而降低。并聯(lián)器件有可能會讓最終損耗與機械斷路器相當，且成本不一定會成為阻礙因素，因為晶粒會發(fā)展，實現(xiàn)給定電阻所需的晶粒會減少。在未來幾年，由于電動車銷量促使斷路器市場膨脹而帶來的規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)，SiC晶圓成本必然會減半。考慮到機電解決方案的維護和替換成本，采用該器件會更有吸引力。
工程領(lǐng)域還有一句諺語：“如果沒壞，就不要去修。”我要說，不要等到它損壞，試試用SiC FET固態(tài)斷路器打造一個讓人放心的解決方案。
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