如何利用碳化硅打造下一代固態斷路器
2024-03-05 09:58:46 安森美電源方案事業群工業方案部高級總監Sravan Vanaparthy如今，碳化硅 (SiC) 器件在電動汽車 (EV) 和太陽能光伏 (PV) 應用中帶來的性能優勢已經得到了廣泛認可。不過，SiC 的材料優勢還可能用在其他應用中，其中包括電路保護領域。本文將回顧該領域的發展，同時比較機械保護和使用不同半導體器件實現的固態斷路器 (SSCB) 的優缺點。最后，本文還將討論為什么 SiC 固態斷路器日益受到人們青睞。
保護電力基礎設施和設備
輸配電系統以及靈敏設備都需要妥善的保護，以防因為長時間過載和瞬態短路情況而受到損壞。隨著電力系統和電動汽車使用的電壓越來越高，可能的最大故障電流也比以往任何時候都更高。為了針對這些高電流故障提供保護，我們需要超快速交流和直流斷路器。過去，機械斷路器一直是此類應用的主要選擇，然而隨著工作要求越來越嚴苛，固態斷路器越來越受到歡迎。相較于機械斷路器，固態斷路器具有許多優勢：
穩健性和可靠性：機械斷路器內含活動部件，因此相對易于受損。這意味著它們容易損壞或因為運動而意外自動斷開，并且在使用期間，每次復位都會出現磨損。相比之下，固態斷路器不含活動部件，因此更加穩健可靠，也不太容易出現意外損壞，因此能夠反復進行數千次斷開/閉合操作。
溫度靈活性：機械斷路器的工作溫度取決于其制造材料，因此在工作溫度方面存在一定的限制。相比之下，固態斷路器的工作溫度更高并且可以調節，因此它能夠更加靈活地適應不同的工作環境。
遠程配置：機械斷路器在跳閘后需要人工手動復位，這可能非常耗時且成本高昂，特別是在多個安裝點進行大規模部署的情況下，另外也可能存在安全隱患。而固態斷路器則可以通過有線或無線連接進行遠程復位。
開關速度更快且不會產生電弧：機械斷路器在開關時可能會產生較大的電弧和電壓波動，足以損壞負載設備。固態斷路器采用軟啟動方法，可以保護電路不受這些感應電壓尖峰和電容浪涌電流的影響，而且開關速度要快得多，在發生故障時只需幾毫秒即可切斷電路。
靈活的電流額定值：固態斷路器具有可編程的電流額定值，而機械斷路器則具有固定的電流額定值。
尺寸更小、重量更輕：相較于機械斷路器，固態斷路器重量更輕、體積更小。
現有固態斷路器的局限性
雖然固態斷路器相較于機械斷路器具有多項優勢，但它們也存在一些缺點，具體包括電壓/電流額定值受限制、導通損耗更高且價格更貴。通常，對于交流應用，固態斷路器基于可控硅整流器 (TRIAC)，而對于直流系統，則基于標準平面 MOSFET。TRIAC 或 MOSFET 負責實現開關功能，而光隔離驅動器則用作控制元件。然而，在具有高輸出電流的情況下，基于 MOSFET 的高電流固態斷路器需要使用散熱片，這就意味著它們無法達到與機械斷路器相同的功率密度水平。
同樣地，使用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 實現的固態斷路器也需要散熱片，因為當電流超過幾十安培時，飽和電壓會導致過多的功率損耗。舉例來說，當電流為 500 安培時，IGBT 上的 2V 壓降會產生高達 1000W 的功率損耗。對于同等功率水平，MOSFET 需要具有約 4 m? 的導通電阻。隨著電動汽車中器件的電壓額定值朝著 800V（甚至更高）發展，目前沒有單一器件能夠實現這一電阻水平。雖然理論上可以通過并聯多個器件來實現該數字，但這樣的做法會顯著增加方案的尺寸和成本，尤其是在需要處理雙向電流的情況下。
使用 SiC 功率模塊打造下一代固態斷路器
與硅芯片相比，SiC 芯片在相同額定電壓和導通電阻條件下，尺寸可以縮小多達十倍。此外，與硅器件相比，SiC 器件的開關速度至少快 100 倍，并且它可以在高達兩倍以上的峰值溫度下工作。同時，SiC 具有出色的導熱性能，因此在高電流水平下具有更好的穩健性。安森美利用 SiC 的這些特性開發了一系列 EliteSiC 功率模塊，其 1200V 器件的導通電阻低至 1.7m?。這些模塊在單個封裝中集成了兩到六個 SiC MOSFET。
燒結芯片技術（將兩個獨立芯片燒結在一個封裝內）甚至在高功率水平下也能提供可靠的產品性能。由于具備快速開關行為和高熱導率，因此該類器件可以在故障發生時快速而安全地“跳閘”（斷開電路），阻止電流流動，直到恢復正常工作條件為止。這樣的模塊展示了越來越有可能將多個 SiC MOSFET 器件集成到單個封裝中，以實現低導通電阻和小尺寸，從而滿足實際斷路器應用的需求。此外，安森美還提供承受電壓范圍為 650V 到 1700V 的 EliteSiC MOSFET 和功率模塊，因此這些器件也可用于打造適合單相和三相家庭、商業和工業應用的固態斷路器。安森美具有垂直整合的 SiC 供應鏈，能夠提供近乎零缺陷的產品，這些產品經過全面的可靠性測試，能夠滿足固態斷路器制造商的需求。
圖 1：安森美完整的端到端碳化硅 (SiC) 供應鏈
下圖展示了固態斷路器的模塊化實現方式，其中以并聯配置連接多個 1200V SiC 芯片和多個開關來實現了極低的 rdson 和優化的散熱效果。下方這些完全集成的模塊具有優化的引腳位置和布局，有助于減少寄生效應，提高開關性能和縮短故障響應時間。安森美提供豐富多樣的 SiC 模塊產品組合，模塊額定電壓為 650V、1200V 和 1700V，并且其中一些模塊帶有底板，而另一些則無底板，以便滿足不同的應用需求和效率需求。
圖 2：適用于固態斷路器的 SiC B2B 模塊- 480VAC -200A
圖 3：適用于固態斷路器應用的安森美模塊
SiC 技術和固態斷路器將共同發展
機械斷路器具有低功率損耗和更高的功率密度，目前價格也低于固態斷路器。另外，機械斷路器容易因為反復使用而發生磨損，并且復位或更換會產生昂貴的人工維護成本。隨著電動汽車的日益普及，市場對斷路器和 SiC 器件的需求將持續增長，因此這種寬禁帶技術的成本競爭力會日益增強，并且其對固態斷路器方案的吸引力也會不斷增加。隨著 SiC 工藝技術的不斷進步和獨立 SiC MOSFET 的電阻進一步降低，固態斷路器的功率損耗最終會達到與機械斷路器相媲美的水平，那時功率損耗將不再是個問題。基于 SiC 器件的固態斷路器具備開關速度快、無電弧以及零維護等優勢，能夠帶來顯著的成本節約，因此必將成為市場廣泛采用的主流選擇。
