【導讀】DC總線電壓為400 V或更大的電氣係統，由單相或三相電網功率或儲能係統（ESS）tigongdongli
，keyitongguogutaidianlubaohutigaoqikekaoxinghedanxing。zaishejigaoyagutaidianchiduankailianjiekaiguanshi，xuyaokaolvyixiejibendeshejijuece。guanjianyinsubaokuobandaotijishu，shebeileixing，rebaozhuang

，shebeijianguxingyijizaidianluzhongduanqijianguanlidiangannengliang。benwentaolunlexuanzegonglvbandaotijishudeshejizhuyishixiang，bingweigaoya，gaodianliudianchiduankaikaiguandingyilebandaotibaozhuang，yijibiaozhengxitongjishengdianganheguoduliudongbaohuxianzhidezhongyaoxing。

DC總線電壓為400 V或更大的電氣係統，由單相或三相電網功率或儲能係統（ESS）tigongdongli，keyitongguogutaidianlubaohutigaoqikekaoxinghedanxing。zaishejigaoyagutaidianchiduankailianjiekaiguanshi，xuyaokaolvyixiejibendeshejijuece。guanjianyinsubaokuobandaotijishu
，shebeileixing，rebaozhuang，shebeijianguxingyijizaidianluzhongduanqijianguanlidiangannengliang。benwentaolunlexuanzegonglvbandaotijishudeshejizhuyishixiang
，bingweigaoya，gaodianliudianchiduankaikaiguandingyilebandaotibaozhuang，yijibiaozhengxitongjishengdianganheguoduliudongbaohuxianzhidezhongyaoxing。
　　

寬帶半導體技術的優勢

需要仔細考慮以選擇的半導體材料以實現具有的狀態阻力
，的離狀態泄漏電流，高電壓阻滯功能和高功率能力的開關。圖1顯示了矽（SI），碳化矽（SIC）和氮化殼（GAN）的半導體材料特性。 SIC和GANdedianjiqiuchangdayueshiguideshibei。zheshidejuyoudengxiaojiguishebeihoududepiaoyiquyudeshebeideshejishiqihoududeshifenzhiyi
，yinweiqihouduyudianjichuanchangchengfanbi。ciwai，piaoyiquyudedianzuyufenjiechangdelifangtichengfanbi。zhedaozhijiaodidepiaoyiquyuzulijiangdilejin1000bei。zaisuoyousunshidoushichuandaosunshidegutaikaiguanyingyongchengxuzhong
，gaodianjichuanchangshiyigezhongyaodeyoushi。zhezhongjiangdidedianzuhaixiaochuledongtaishuansuowentidedanyou，zaiguigonglvMOSFET和IGBT中，高DV/DT瞬變分別可能觸發寄生NPN晶體管或晶狀體。

圖1。SI ，SIC和GAN材料特性。圖像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供
　　

碳化矽的導熱率是SI和GAN的de三san倍bei，顯xian著zhe提ti高gao了le從cong芯xin片pian中zhong抽chou出chu熱re量liang的de能neng力li，從cong而er使shi其qi能neng夠gou運yun行xing冷leng卻que器qi並bing簡jian化hua熱re設she計ji。另ling外wai，對dui於yu等deng效xiao目mu標biao連lian接jie溫wen度du
，它ta允yun許xu更geng高gao的de電dian流liu操cao作zuo。較jiao高gao的de熱re導dao率lv與yu高gao電dian動dong分fen解jie場chang相xiang結jie合he，導dao致zhi抗kang性xing較jiao低di
，進jin一yi步bu簡jian化hua了le熱re設she計ji。
　　

碳化矽是一種寬帶gap（WBG）半ban導dao體ti材cai料liao，其qi能neng量liang隙xi幾ji乎hu是shi矽gui的de三san倍bei
，可ke實shi現xian更geng高gao溫wen度du的de運yun行xing。半ban導dao體ti在zai升sheng高gao的de溫wen度du下xia停ting止zhi充chong當dang半ban導dao體ti。較jiao大da的de能neng量liang隙xi使shi碳tan化hua矽gui碳tan化hua矽gui的de運yun行xing攝she入ru比bi矽gui高gao幾ji百bai度du，因yin為wei自zi由you電dian荷he載zai體ti的de濃nong度du較jiao低di。但dan是shi，基ji於yu當dang今jin技ji術shu的de其qi他ta因yin素su（例如，包裝，門氧化物泄漏）將設備的連接溫度限製為175°C。 WBG技術的另一個優點是，它提供了較低的州泄漏電流。
　　

考慮到這些特征，碳化矽是該應用的半導體材料。
　　

IGBT
，MOSFET和JFET之間的差異
　　

晶(jing)體(ti)管(guan)的(de)類(lei)型(xing)是(shi)下(xia)一(yi)個(ge)關(guan)鍵(jian)因(yin)素(su)。在(zai)大(da)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)
，傳(chuan)導(dao)損(sun)失(shi)提(ti)出(chu)了(le)的(de)設(she)計(ji)挑(tiao)戰(zhan)。應(ying)將(jiang)傳(chuan)導(dao)損(sun)耗(hao)化(hua)以(yi)滿(man)足(zu)係(xi)統(tong)的(de)熱(re)要(yao)求(qiu)。液(ye)體(ti)冷(leng)卻(que)在(zai)某(mou)些(xie)係(xi)統(tong)中(zhong)可(ke)用(yong)，而(er)另(ling)一(yi)些(xie)係(xi)統(tong)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)強(qiang)迫(po)空(kong)氣(qi)或(huo)依(yi)靠(kao)自(zi)然(ran)對(dui)流(liu)。除(chu)了(le)的(de)傳(chuan)導(dao)損(sun)失(shi)外(wai)
，還(hai)必(bi)須(xu)將(jiang)電(dian)壓(ya)下(xia)降(jiang)保(bao)持(chi)在(zai)限(xian)度(du)，以(yi)地(di)提(ti)高(gao)所(suo)有(you)操(cao)作(zuo)點(dian)的(de)效(xiao)率(lv)，包(bao)括(kuo)照(zhao)明(ming)條(tiao)件(jian)。這(zhe)在(zai)電(dian)池(chi)動(dong)力(li)係(xi)統(tong)中(zhong)尤(you)為(wei)重(zhong)要(yao)。在(zai)包(bao)括(kuo)直(zhi)流(liu)係(xi)統(tong)在(zai)內(nei)的(de)許(xu)多(duo)係(xi)統(tong)中(zhong)
，另(ling)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)因(yin)素(su)是(shi)雙(shuang)向(xiang)電(dian)流(liu)流(liu)。通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)具(ju)有(you)低(di)傳(chuan)導(dao)損(sun)耗(hao)，低(di)壓(ya)下(xia)降(jiang)和(he)反(fan)向(xiang)傳(chuan)導(dao)能(neng)力(li)的(de)晶(jing)體(ti)管(guan)。通(tong)常(chang)考(kao)慮(lv)的(de)晶(jing)體(ti)管(guan)是(shi)IGBT
，MOSFET和JFET。
　　

雖然IGBT在峰值負載電流下提供可比的傳導損失作為MOSFET
，但一旦負載電流降低，基於IGBT的溶液的效率就會降低。這是因為電壓下降由兩個組件組成：一個近恒定電壓下降，與收集器電流無關

，並且與收集器電流成正比的電壓下降。使用MOSFET，電壓下降與源電流成正比。它沒有IGBT的開銷

，這可以在所有操作點（包括燈負載條件）上具有很高的效率。 MOSFET允許在象限和第三象限中傳導通道傳導，這意味著電流可以以前和反向方向流過設備。 MOSFET的第三季度操作的另一個好處是
，它的狀態阻力通常比個象限略低。而IGBT僅在個象限中引導電流，並且需要一個反行二極管才能反向電流傳導。 JFET是一種較舊的技術

，但進行了複興
，可以在前進和反向傳導中起作用，並且像MOSFET一樣
，電壓降低與排水管成正比。它與MOSFET不同的地方是它是耗盡模式的設備。也就是說，JFETtongchangchuyudakaizhuangtai，xuyaozhajipianzhiyiyizhidianliudeliudong。zaikaolvxitongguzhangtiaojianshi，zhegeishejishidailaileshijitiaozhan。zuoweijiejuefangfa
，keyishiyongbaokuoyixiliediyaguiMOSFET的級聯配置來實現正常的設備。係列矽設備的添加增加了複雜性，這減少了JFET在高電流應用中的一些優勢。 SIC MOSFET是一種通常的設備
，在許多係統中提供了所需的低阻力和可控性。
　　

熱包裝
　　

SIC功率模塊可以實現高水平的係統優化
，而離散的MOSFET很難實現。 Microchip的MSIC模塊可在一係列配置
，電壓和當前評分中獲得。其中包括通用源配置，該配置將兩個SIC MOSFET連接在反係列配置中以允許雙向電壓和電流阻斷。每個MOSFET都由並行連接的多個芯片組成
，以達到額定的電流和低國家電阻。對於單向電池斷開連接開關
，兩個MOSFET與功率模塊並行連接。
　　

xuyaodidezhoudianzuhedirezulilaibaochixinpianliangshuang。mokuaizhongshiyongdecailiaoshiquedingconglianjiedaoqingkuangderedianzujiqikekaoxingdezhongyaoyuansu。jutieryan，moban，jicaihejibencailiaodetexingshimokuairedianzudezhuyaoyinsu。xuanzebiaoxianchujiaogaoredaolvdecailiaoyouzhuyudijianshaoredianzuhelianjiewendu。churexingnengwai
，xuanzejuyoumiqiepipeiderepengzhangxishu（CTE）的材料還可以通過減少材料界麵和內部的熱應力來增加模塊的壽命。表1總結了這些熱特性。氮化鋁（ALN）底物和銅（CU）基礎底物是MSIC功率模塊的標準配置。氮化矽（SI 3 N 4）底物和鋁碳化矽（ALSIC）基礎底板的期權可提供更高的可靠性。圖2中是標準SP3F和SP6C軟件包中的通用功率模塊，以及具有DO-160資格的高可易度底板BL1和BL3軟件包。
　　

設備堅固性和係統電感

除chu了le模mo塊kuai的de熱re性xing能neng和he長chang期qi可ke靠kao性xing外wai，電dian路lu中zhong斷duan設she備bei中zhong的de另ling一yi個ge設she計ji考kao慮lv因yin素su是shi高gao電dian感gan能neng量liang。繼ji電dian器qi和he接jie觸chu器qi的de周zhou期qi數shu量liang有you限xian。它ta們men通tong常chang用yong卸xie載zai的de機ji械xie切qie換huan循xun環huan指zhi定ding
，並bing且qie電dian氣qi加jia載zai循xun環huan較jiao少shao。係xi統tong中zhong的de電dian感gan導dao致zhi跨kua觸chu點dian的de弧hu形xing，從cong而er在zai電dian流liu損sun壞huai時shi會hui降jiang解jie。因yin此ci


，電dian氣qi周zhou期qi額e定ding值zhi的de工gong作zuo條tiao件jian是shi明ming確que定ding義yi的de，並bing且qie對dui其qi壽shou命ming具ju有you很hen大da的de影ying響xiang。即ji使shi那na樣yang，在zai帶dai有you接jie觸chu器qi或huo繼ji電dian器qi的de係xi統tong中zhong仍reng需xu要yao上shang遊you保bao險xian絲si
，因yin為wei接jie觸chu時shi可ke能neng會hui焊han接jie在zai高gao空kong短duan路lu電dian流liu時shi焊han接jie。固gu態tai電dian池chi斷duan開kai連lian接jie開kai關guan不bu會hui遭zao受shou這zhe種zhong降jiang解jie，從cong而er實shi現xian了le更geng高gao的de可ke靠kao性xing係xi統tong。盡jin管guan如ru此ci，了le解jie係xi統tong的de寄ji生sheng和he負fu載zai電dian感gan和he電dian容rong對dui於yu管guan理li中zhong斷duan高gao電dian流liu時shi存cun在zai的de電dian感gan能neng量liang也ye至zhi關guan重zhong要yao。

圖2。Microchip 的MSIC模塊中的通用源配置。圖像由Bodo的Power Systems  [PDF]提供
　　

電dian感gan能neng量liang與yu中zhong斷duan時shi係xi統tong中zhong電dian流liu的de電dian感gan和he平ping方fang成cheng正zheng比bi。開kai關guan輸shu出chu端duan子zi處chu的de短duan路lu會hui導dao致zhi電dian流liu快kuai速su增zeng加jia
，以yi電dian池chi電dian壓ya與yu源yuan電dian感gan的de比bi率lv的de速su率lv上shang升sheng。例li如ru，具ju有you5微源源電感的800 V總線電壓導致電流以每微秒160 a的速率增加。一個5微秒的響應時間來檢測和響應將導致電路中的額外電流為800 a。由於不建議在雪崩模式下操作SICgonglvmokuai，yincixuyaoshiyongzhezhongdiangannenglianglaibaohumokuai。danshi，zaishidangshejiyimanzurubianheqingchuyaoqiushi，yinrulejishengchong
，jinyibuxianzhileqiyouxiaoxing。yinci，kaiguanyingzugouhuanmandiguanbi，yixianzhidianyachaozhong，bingcongmokuaideneibudianganshanghedianliuturanxiajiang。juyoudidiangandemokuaiyouzhuyujinyibudijianshaozhezhongdianyayingli。
　　

在矽電源設備中，高電流的快速中斷引入了觸發寄生蟲或晶閘管的風險，這導致無法控製的閂鎖和終失敗。在SIC設備上，一個非常快速的關閉可能會導致每個芯片中的雪崩崩潰，直到Snubber或夾具吸收高能量為止。 Microchip的MSIC MOSFET經過設計和測試，以進行無貼壓的電感開關（UIS）堅固性，隨著Snubber或夾具開始降級，提供了額外的安全保證金。圖3顯示了與市場上其他SIC設備相比
，單發和重複的UIS性能。

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