【導(dǎo)讀】工程界有一句諺語(yǔ)：“會(huì)動(dòng)的就會(huì)斷。”我們都知道，機(jī)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(tǒng)中，您需要一套進(jìn)行前瞻性維護(hù)和更換這些部件的程序來(lái)“以防萬(wàn)一”。當(dāng)機(jī)械部件在正常運(yùn)行時(shí)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(shí)，情況會(huì)更糟，例如與電動(dòng)車電池串聯(lián)的接觸式斷路器。
機(jī)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。”我們都知道，機(jī)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(tǒng)中，您需要一套進(jìn)行前瞻性維護(hù)和更換這些部件的程序來(lái)“以防萬(wàn)一”。當(dāng)機(jī)械部件在正常運(yùn)行時(shí)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(shí)，情況會(huì)更糟，例如與電動(dòng)車電池串聯(lián)的接觸式斷路器。
在這種情況下，運(yùn)行電流可能達(dá)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(dá)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(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(xù)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(shù)十毫秒，從而允許在短路情況下通過(guò)能造成損壞的能量。隨著斷路器老化，它還會(huì)變得更慢，損耗更大。總而言之，大電流機(jī)械斷路器面對(duì)著重重困難，因此必須打造得很堅(jiān)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圈。
自然而然地，人們?cè)O(shè)計(jì)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(dǎo)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(jī)械磨損問(wèn)題。它們的嚴(yán)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(dǎo)通電阻。為了在IGBT基礎(chǔ)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(xiàn)這一要求。多個(gè)MOSFET并聯(lián)可以實(shí)現(xiàn)這一要求，但是成本也會(huì)劇增，而且如果您需要雙向?qū)щ娔芰Γ瑒t成本還會(huì)翻倍。機(jī)電斷路器不便宜，但是仍具有成本優(yōu)勢(shì)。
SiC會(huì)帶來(lái)改變嗎？
神奇的新寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)能彌補(bǔ)不足嗎？在相同的晶粒面積下，碳化硅開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻大約比硅好10倍，而且它的導(dǎo)熱系數(shù)也好得多，能讓熱量散發(fā)出去，從而能應(yīng)對(duì)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(dāng)固態(tài)斷路器的IGBT基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)易于驅(qū)動(dòng)，具有在當(dāng)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(xiàn)了2.2毫歐電阻。在測(cè)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(nèi)部JFET柵極顯露出來(lái)并連接到單獨(dú)的針腳，則可以在快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用中對(duì)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(yīng)用中可能需要的高效、可選常關(guān)或常開(kāi)運(yùn)行。略微正向偏移JFET柵極的能力也會(huì)稍稍提高導(dǎo)通電阻。不過(guò)另一個(gè)特征會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)，那就是在正2V左右以上，溝道會(huì)完全導(dǎo)電，柵極會(huì)充當(dāng)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(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(cè)量，并用于執(zhí)行快速超溫檢測(cè)，如果記錄溫度趨勢(shì)，甚至可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期運(yùn)行狀況檢測(cè)。
SiC FET固態(tài)斷路器取代機(jī)電斷路器的趨勢(shì)不斷加強(qiáng)
SiC FET打開(kāi)了大電流的固態(tài)斷路器應(yīng)用的大門(mén)，且其損耗只會(huì)隨著技術(shù)進(jìn)步而降低。并聯(lián)器件有可能會(huì)讓最終損耗與機(jī)械斷路器相當(dāng)，且成本不一定會(huì)成為阻礙因素，因?yàn)榫Я?huì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)給定電阻所需的晶粒會(huì)減少。在未來(lái)幾年，由于電動(dòng)車銷量促使斷路器市場(chǎng)膨脹而帶來(lái)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，SiC晶圓成本必然會(huì)減半。考慮到機(jī)電解決方案的維護(hù)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。”我要說(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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