【導讀】由於低損耗和低於其他選擇的成本
，機械斷路器一直以來都是成功之選。但是現在，寬帶隙半導體讓固態斷路器更具吸引力。

zaidakaizhuangtaixia，jixieduanluqishiyizhongjihuwusunhaodeanquanlianjiefangfa，zaiguanbizhuangtaixia，tanengshixianchedigeli，danshiyebingfeimeiyouquedian。tadakaiheguanbidesuduxiangduijiaoman
，binghuizaijiechudianzhijianshifangdianhu，youqishizaishiyongzhiliudianshi
，zhehuidaozhiyunxingshoumingsuoduan。jixieduanluqidexinyingyong
，youqishidiandongchezhongdeyingyong
，xianyijianglingjianxingnengfahuidaojixian，yunxingdianliudadaoleshubaian
，erqianzaiguzhangdianliudadaoshuqianan。ruguoxuyaoyue10毫秒來切斷連接，則在一次短路後就會允許通過數十焦耳能量
，這會造成顯著損壞。

固態斷路器是一種有局限性的選擇

因為切斷連接的時間短得多、完全沒有電弧和服務壽命長，固態斷路器（SSCB）一直都是一種選擇，但是它的額定電壓有限


，成本和導電損耗比機械斷路器高。如果采用IGBT製(zhi)作(zuo)固(gu)態(tai)斷(duan)路(lu)器(qi)，則(ze)不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)的(de)飽(bao)和(he)電(dian)壓(ya)會(hui)導(dao)致(zhi)超(chao)過(guo)數(shu)十(shi)安(an)的(de)過(guo)多(duo)功(gong)率(lv)損(sun)耗(hao)，從(cong)而(er)必(bi)須(xu)采(cai)用(yong)能(neng)大(da)量(liang)散(san)熱(re)的(de)技(ji)術(shu)，讓(rang)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)本(ben)就(jiu)高(gao)昂(ang)的(de)成(cheng)本(ben)進(jin)一(yi)步(bu)提(ti)高(gao)。矽(gui)MOSFET的導通電阻低且可控，在小電流下的壓降比IGBT低得多，但是隨著電流升高，功率也會以電流平方的速度上升。這意味著，以500安為例
，IGBT的壓降可能為1.7V
，功耗達到850W，而MOSFET可能需要一個3.4毫歐的導通電阻才能達到相同功率。雖然這是低壓下的現代MOSFET技術的領域
，但是在單個器件中

，在超過400Vdedianxingdiandongchedianchidianyasuoxudeedingzhixia，zhexiedaotongdianzujibiemuqianwufashixian。shigeqijianbingliankenengkeyijiejinzhexiejibie
，danshichengbenhuijijushangsheng，erqieruguoxiangzaidiandongcheyingyongzhongdechangtaiyiyangxuyaoshuangxiangdianliu
，zehaihuijiabei。yinci，jishikaolvjidianjiejuefangandezhongshenweihuchengben
，gutaijiejuefangandechengbenyeshiyidazhangai。biao1總結了固態斷路器與機電斷路器的優缺點。

【表1：固態斷路器和機械斷路器比較】

碳化矽將成為固態斷路器的可行技術

現已推出的寬帶隙半導體開關具有比矽超結MOSFET更好的導通電阻與晶粒麵積乘積（Rds.A）
，因而可以考慮將其用於固態斷路器應用。在考慮Rds.A（漏源電阻乘以晶粒麵積）與擊穿電壓之間的取舍後，可以在基本層麵上看到這種優勢：理論上

，SiC比矽好10beizuoyou
，yinci

，zaixiangtongedingdianyahedaotongdianzuxia
，jinglimianjishiguideshifenzhiyi，huozhefanguolai，jinglimianjiyuguixiangtong，daotongdianzushiguideshifenzhiyi。haiyouyigehaochu，SiC運行時的峰值溫度超過矽的兩倍，且作為材料
，導熱係數也好得多，從而讓峰值功耗的處理更加安全。

SiC開關可以采用MOSFET或JFET（圖1左）方式構造，後者具有更好的Rds.A性能表征。在功率轉換開關技術中，雖然部分應用能夠從器件在缺乏柵極控製時會短路的事實中受益，但是JFET在柵極電壓為零時常開的特征被視為一種劣勢。而SiC JFET還能以“共源共柵”結構與低壓矽MOSFET相連，此時，該組合為常關型
，可通過簡單的0-12V柵極驅動輕鬆控製。這種結構就是SiC FET（圖1中間）。因為包含串聯的低壓MOSFET，共源共柵的導通電阻比單個SiC JFET高5-15%，但是露出兩個器件柵極以實現外部控製的共源共柵版本能通過微調驅動電壓來將導通電阻降至極小。此類器件被稱為“雙柵極FET”或DG FET（圖1右）。在SiC FET和DG FET構造中
，一同封裝的低壓矽MOSFET晶粒“堆疊”在SiCJFET晶粒上方，如圖所示。

【圖1：JFET（左）、SiC FET共源共柵（中）和雙柵極SiC FET共源共柵（右）】

SiC JFET可感知自身溫度

SiC JFET的柵極看上去像是前向偏置的二極管，二極管適用電壓為+2V左右。在此情況下，JFET很有吸引力，而且對於固定偏置電流，比如1mA的固定偏置電流，晶粒溫度和導致的柵極電壓之間有準確的對應關係（圖2）。鑒於在采用DG FETshikeshixianzhajilianjie，zheyiduiyingguanxikeyongyuzhixingzhunqueerkuaisudejingliwenduceliang，yibaohuqijianhechangqijianshiqijianjiankangzhuangkuang。zaiyouchixudadianliudegutaiduanluqiyingyongzhong


，zheshiyigebaoguidegongneng。

【圖2：SiC JFET柵極的“膝點”電壓與晶粒溫度有準確的對應關係】

實用的解決方案

雙向固態斷路器可以像圖3中使用SiC FET共源共柵的器件一樣簡單。JFET上的柵極電阻可將開關速度控製到實用級別，以避免不穩定和電磁幹擾
，而“緩衝電路”網Rs、Cs可幫助抑製關閉時的任何電壓過衝。不可避免地，固態斷路器有顯著的外部連接電感和相應的存儲能量，而SiC FET有強大的雪崩額定值，可經受關閉時導致的電壓峰值

，但是圖示的MOV也有助於限製電壓
，而且比使用額定電壓更高的SiC FET更具成本效益，後者的Rds(on)肯定更高。

【圖3：使用SiC FET作為雙向固態斷路器】

在實踐中
，我們使用SiC FET固態斷路器的目標是在IGBT基礎上進一步改進，讓整體導通電阻維持在3毫歐左右，可以用並聯SiC FET晶粒配置。對於單向開關，它可能含UnitedSiC生產的六個並聯的9毫歐、1200V器件

，從而聯合形成2.2毫歐（考慮了封裝寄生效應）的額定電阻，額定電壓為1200V，電流超過300A，可裝入小巧的SOT227標準空間中，與額定值類似的IGBT解決方案相當。圖4表明此結構可輕鬆中斷1950A的峰值故障電流。

【圖4：SiC FET固態斷路器安全地中斷接近2000A的電流】

SiC FET導通電阻的溫度係數良好，有助於確保器件能很好地分擔電流，與在小電流下不具備天然平衡效應的IGBT形成鮮明對比。

固態斷路器的未來

目(mu)前(qian)，機(ji)械(xie)斷(duan)路(lu)器(qi)可(ke)能(neng)具(ju)有(you)價(jia)格(ge)優(you)勢(shi)，但(dan)是(shi)仍(reng)不(bu)屬(shu)於(yu)低(di)成(cheng)本(ben)器(qi)件(jian)，尤(you)其(qi)是(shi)汽(qi)車(che)級(ji)器(qi)件(jian)。在(zai)電(dian)動(dong)車(che)銷(xiao)量(liang)激(ji)增(zeng)的(de)背(bei)景(jing)下(xia)，斷(duan)路(lu)器(qi)市(shi)場(chang)也(ye)在(zai)擴(kuo)大(da)，在(zai)此(ci)情(qing)況(kuang)下(xia)
，固(gu)態(tai)斷(duan)路(lu)器(qi)也(ye)會(hui)隨(sui)著(zhe)SiC在zai逆ni變bian器qi中zhong的de使shi用yong和he單dan位wei成cheng本ben的de降jiang低di而er從cong規gui模mo經jing濟ji中zhong獲huo益yi。與yu此ci同tong時shi，鑒jian於yu寬kuan帶dai隙xi半ban導dao體ti技ji術shu仍reng處chu於yu發fa展zhan初chu期qi且qie距ju離li理li論lun性xing能neng極ji限xian和he最zui佳jia製zhi程cheng良liang率lv仍reng有you一yi段duan距ju離li
，無wu論lun如ru何he價jia格ge都dou會hui持chi續xu降jiang低di。例li如ru
，據ju預yu測ce
，在zai未wei來lai幾ji年nian內nei
，SiC FET的性能表征Rds.A將提高2到3倍，晶圓成本會減半。

由於開關速度快、無電弧、免維護帶來的切實成本節省
，采用SiC FET的固態斷路器必然會成為首選的解決方案。當SiC FET RDS(on)變得與機械接觸電阻相當且肯定比外部線纜連接低得多時，即使損耗比較也不會再是一個問題。

轉自《功率係統設計》

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