【導讀】工程界有一句諺語(yǔ)：“會(huì )動(dòng)的就會(huì )斷?！蔽覀兌贾?，機械部件通常是第一個(gè)出故障的，比如風(fēng)扇或繼電器，而在電路系統中，您需要一套進(jìn)行前瞻性維護和更換這些部件的程序來(lái)“以防萬(wàn)一”。當機械部件在正常運行時(shí)的應力水平高，然后必須在緊急情況下做出可靠反應時(shí)，情況會(huì )更糟，例如與電動(dòng)車(chē)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(huì )磨損。采用SiC FET的固態(tài)斷路器可以解決這些問(wèn)題且其損耗開(kāi)始降低。
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工程界有一句諺語(yǔ)：“會(huì )動(dòng)的就會(huì )斷?！蔽覀兌贾?，機械部件通常是第一個(gè)出故障的，比如風(fēng)扇或繼電器，而在電路系統中，您需要一套進(jìn)行前瞻性維護和更換這些部件的程序來(lái)“以防萬(wàn)一”。當機械部件在正常運行時(shí)的應力水平高，然后必須在緊急情況下做出可靠反應時(shí)，情況會(huì )更糟，例如與電動(dòng)車(chē)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百安，而在斷路器必須切斷的短路情況下，電流可能達到數千安。電壓很高，通常高于400V直流電，而且在故障電流中斷時(shí)，由于連接電感，電壓峰值還會(huì )更高。電壓會(huì )造成電弧，電弧會(huì )讓斷路器觸點(diǎn)汽化，而且由于是直流電，電弧會(huì )持續存在，還不像交流電一樣存在能消除電弧的零點(diǎn)交叉。接通和斷開(kāi)的速度也慢，需要數十毫秒，從而允許在短路情況下通過(guò)能造成損壞的能量。隨著(zhù)斷路器老化，它還會(huì )變得更慢，損耗更大?？偠灾?，大電流機械斷路器面對著(zhù)重重困難，因此必須打造得很堅固，有時(shí)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(xiàn)圈。
自然而然地，人們設計出了固態(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(jìn)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(wèn)題。它們的嚴重缺點(diǎn)在于壓降，以IGBT為例，它在500A下可能會(huì )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(méi)有IGBT那樣的“膝點(diǎn)”電壓，但是有導通電阻。為了在IGBT基礎上進(jìn)行改進(jìn)，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(wú)法用單個(gè)MOSFET實(shí)現這一要求。多個(gè)MOSFET并聯(lián)可以實(shí)現這一要求，但是成本也會(huì )劇增，而且如果您需要雙向導電能力，則成本還會(huì )翻倍。機電斷路器不便宜，但是仍具有成本優(yōu)勢。
SiC會(huì )帶來(lái)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(kāi)關(guān)的導通電阻大約比硅好10倍，而且它的導熱系數也好得多，能讓熱量散發(fā)出去，從而能應對雙倍的最高溫度。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基礎上進(jìn)行改進(jìn)，而SiC FET是理想的候選技術(shù)。SiC JFET和Si-MOSFET的共源共柵結構易于驅動(dòng)，具有在當前開(kāi)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(gè)自己生產(chǎn)的1200V雙柵極晶粒并聯(lián)，實(shí)現了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(jiàn)圖示。
【圖1. SiC FET固態(tài)斷路器安全地中斷接近2000A的電流】
如果內部JFET柵極顯露出來(lái)并連接到單獨的針腳，則可以在快速開(kāi)關(guān)應用中對邊緣速率進(jìn)行更直接的控制，并提供固態(tài)斷路器等部分應用中可能需要的高效、可選常關(guān)或常開(kāi)運行。略微正向偏移JFET柵極的能力也會(huì )稍稍提高導通電阻。不過(guò)另一個(gè)特征會(huì )顯現出來(lái)，那就是在正2V左右以上，溝道會(huì )完全導電，柵極會(huì )充當正向偏壓二極管?，F在，如果注入固定小電流，則二極管的實(shí)際膝點(diǎn)電壓與晶粒溫度會(huì )有精確的關(guān)聯(lián)。這一特征可以被測量，并用于執行快速超溫檢測，如果記錄溫度趨勢，甚至可以實(shí)現長(cháng)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(kāi)了大電流的固態(tài)斷路器應用的大門(mén)，且其損耗只會(huì )隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步而降低。并聯(lián)器件有可能會(huì )讓最終損耗與機械斷路器相當，且成本不一定會(huì )成為阻礙因素，因為晶粒會(huì )發(fā)展，實(shí)現給定電阻所需的晶粒會(huì )減少。在未來(lái)幾年，由于電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量促使斷路器市場(chǎng)膨脹而帶來(lái)的規模經(jīng)濟效應，SiC晶圓成本必然會(huì )減半?？紤]到機電解決方案的維護和替換成本，采用該器件會(huì )更有吸引力。
工程領(lǐng)域還有一句諺語(yǔ)：“如果沒(méi)壞，就不要去修?！蔽乙f(shuō)，不要等到它損壞，試試用SiC FET固態(tài)斷路器打造一個(gè)讓人放心的解決方案。
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