碳化硅SiC如何实现下一代固态断路器

碳化硅SiC如何实现下一代固态断路器

由碳化硅基器件构建的固态断路器将不可避免地成为常态。

碳化硅器件为电动汽车和太阳能光伏应用带来的性能优势是众所周知的。然而，SiC 的材料优势可以在其他应用中得到利用，电路保护已被提议作为此类领域之一。本文回顾了该领域的发展，包括机械保护与使用不同半导体器件实现的固态断路器 (SSCB) 的优点。我们还将讨论为什么 SiC 将成为 SSCB 越来越有吸引力的选择。

保护电力基础设施和设备
输电和配电系统以及敏感设备需要针对长期过载和瞬态短路情况提供保护。随着电气系统和电动汽车使用越来越高的电压，最大潜在故障电流比以往任何时候都高。针对这些大电流故障的保护需要超快的交流和直流断路器。虽然机械断路器历来是该应用最受欢迎的选择，但日益严格的操作要求使得 SSCB 更受欢迎。与机械方法相比，它们有几个优点：

坚固性和可靠性：机械断路器包含运动部件，这使得它们很脆弱。这意味着它们很容易因运动而损坏或意外绊倒，并且在其使用寿命期间每次重置时都会受到磨损。相比之下，由于 SSCB 不包含移动部件，因此更加坚固，并且不太可能遭受意外损坏，从而能够重复使用数千次。
温度灵活性：机械断路器的工作温度取决于其构造中使用的材料并限制工作温度。SSCB 的工作温度高于机械断路器，且可设定。
远程配置：一旦跳闸，人们必须手动重置机械断路器，这既耗时又昂贵，特别是在跨多个安装时，而且还可能产生安全隐患。SSCB 可以使用有线或无线连接远程重置。
更快的切换且无电弧：当机械断路器切换时，可能会发生电弧和电压波动，足以损坏负载设备。在 SSCB 中使用软启动方法可以防止这些感应电压尖峰和电容浪涌电流的影响，如果发生故障，开关速度要快得多，大约几微秒。
灵活的额定电流：机械断路器具有固定的额定电流，而 SSCB 的额定电流是可编程的。
减小尺寸和成本：与机械断路器相比，SSCB 减轻了重量，显着减轻重量并占用更少的空间。
现有 SSCB 的局限性
虽然 SSCB 比机械断路器具有优势，但它们也有一些缺点，包括额定电压/电流有限、传导损耗较高且价格昂贵。SSCB 通常基于用于交流应用的 TRIAC（硅控整流器）或用于直流系统的标准平面 MOSFET。TRIAC 或 MOSFET 实现开关功能，而光隔离驱动器则充当控制元件。然而，基于大电流MOSFET的 SSCB 在高输出电流时需要散热器，这意味着它们无法实现与机械断路器相同的功率密度水平。

同样，使用绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 实现的 SSCB 也需要散热器，其中饱和电压会导致电流超过几十安培时产生过多的功率损耗。例如，在 500 A 电流下， IGBT上 2 V 的压降将消耗 1,000 W 的功率。对于此功率量，MOSFET 将需要大约 4 mΩ 的导通电阻。目前，电动汽车中的电压额定值已达到 800 V（及以上）的单一器件尚无法达到这一电阻水平。虽然理论上可以通过并联连接器件来实现这一数字，但这种方法将大大增加解决方案的尺寸和成本，在必须适应双向电流的情况下更是如此。

使用 SiC 功率模块实现下一代 SSCB
在相同的额定电压和导通电阻下，SiC 芯片的尺寸最多比硅芯片小 10 倍。此外，SiC 器件的开关速度至少快 100 倍，并且在峰值温度下运行是硅器件的两倍以上。同时，其卓越的导热性使其在高功率水平下更加稳健。Onsemi 在其 EliteSiC 电源模块系列中充分利用了这些特性，1,200V 设备的导通电阻值低至 1.7 mΩ。这些模块将两个到六个 SiC MOSFET 集成在一个封装中。

烧结芯片技术（将两个单独的芯片连接在一个封装内）即使在高功率水平下也能提供可靠的产品性能。该器件的快速开关行为和高导热性使其能够在发生故障时快速安全地“跳闸”（开路）最终应用，阻止电流流动，直到恢复正常工作条件。此类模块展示了如何越来越有可能将多个 SiC MOSFET 器件集成到单个封装中，以提供实际断路器应用所需的低导通电阻值和小外形尺寸。此外，onsemi 还提供 EliteSiC MOSFET 和电源模块，其耐压范围为 650 V 至 1,700 V，这意味着它们也适用于单相和三相家用、商业和工业应用中的 SSCB。Onsemi 的垂直整合 SiC供应链提供近乎零缺陷的产品，这些产品经过 SSCB 制造商的详尽可靠性测试。

图 2 显示了在具有多个 1,200V SiC 芯片的模块中实施 SSCB，其中多个开关以背靠背配置并联，以实现最低的导通电阻和优化的散热。具有优化引脚位置和布局的完全集成模块（图 3）将有助于减少寄生现象并提高开关性能和故障响应时间。Onsemi 根据最终应用要求和效率需求，提供各种额定电压为 650 V、1,200 V 和 1,700 V 的 SiC 模块产品组合，包括带基板和不带基板的模块。

SiC 和 SSCB 将共同发展
机械断路器具有较低的功率损耗和较高的功率密度，目前比 SSCB 便宜。尽管如此，它们仍然容易因重复使用而磨损，并且需要与重置或更换相关的昂贵的手动维护。随着电动汽车采用率的不断提高，对断路器和 SiC 器件的需求将继续增长，从而使这种宽带隙技术的成本竞争力日益增强，并增加其在 SSCB 解决方案中使用的吸引力。随着 SiC 工艺技术的进步，独立 SiC MOSFET 的电阻进一步下降，最终达到与机械断路器相当的水平，功率损耗将变得不再是问题。由基于 SiC 的器件构建的 SSCB 具有快速开关、无电弧以及通过零维护显着节省成本等优点，将不可避免地成为常态。