【導讀】由于低損耗和低于其他選擇的成本,機械斷路器一直以來都是成功之選。但是現(xiàn)在,寬帶隙半導體讓固態(tài)斷路器更具吸引力。
在打開狀態(tài)下,機械斷路器是一種幾乎無損耗的安全連接方法,在關閉狀態(tài)下,它能實現(xiàn)徹底隔離,但是也并非沒有缺點。它打開和關閉的速度相對較慢,并會在接觸點之間釋放電弧,尤其是在使用直流電時,這會導致運行壽命縮短。機械斷路器的新應用,尤其是電動車中的應用,現(xiàn)已將零件性能發(fā)揮到極限,運行電流達到了數(shù)百安,而潛在故障電流達到數(shù)千安。如果需要約10毫秒來切斷連接,則在一次短路后就會允許通過數(shù)十焦耳能量,這會造成顯著損壞。
固態(tài)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(tài)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制作固態(tài)斷路器,則不可避免的飽和電壓會導致超過數(shù)十安的過多功率損耗,從而必須采用能大量散熱的技術,讓解決方案本就高昂的成本進一步提高。硅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(xiàn)代MOSFET技術的領域,但是在單個器件中,在超過400V的典型電動車電池電壓所需的額定值下,這些導通電阻級別目前無法實現(xiàn)。十個器件并聯(lián)可能可以接近這些級別,但是成本會急劇上升,而且如果像在電動車應用中的常態(tài)一樣需要雙向電流,則還會加倍。因此,即使考慮機電解決方案的終身維護成本,固態(tài)解決方案的成本也是一大障礙。表1總結了固態(tài)斷路器與機電斷路器的優(yōu)缺點。
【表1:固態(tài)斷路器和機械斷路器比較】
碳化硅將成為固態(tài)斷路器的可行技術
現(xiàn)已推出的寬帶隙半導體開關具有比硅超結MOSFET更好的導通電阻與晶粒面積乘積(Rds.A),因而可以考慮將其用于固態(tài)斷路器應用。在考慮Rds.A(漏源電阻乘以晶粒面積)與擊穿電壓之間的取舍后,可以在基本層面上看到這種優(yōu)勢:理論上,SiC比硅好10倍左右,因此,在相同額定電壓和導通電阻下,晶粒面積是硅的十分之一,或者反過來,晶粒面積與硅相同,導通電阻是硅的十分之一。還有一個好處,SiC運行時的峰值溫度超過硅的兩倍,且作為材料,導熱系數(shù)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,后者具有更好的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制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”結構與低壓硅MOSFET相連,此時,該組合為常關型,可通過簡單的0-12V柵極驅動輕松控制。這種結構就是SiC FET(圖1中間)。因為包含串聯(lián)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(xiàn)外部控制的共源共柵版本能通過微調(diào)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,一同封裝的低壓硅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,而且對于固定偏置電流,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系(圖2)。鑒于在采用DG FET時可實現(xiàn)柵極連接,這一對應關系可用于執(zhí)行準確而快速的晶粒溫度測量,以保護器件和長期監(jiān)視器件健康狀況。在有持續(xù)大電流的固態(tài)斷路器應用中,這是一個寶貴的功能。
【圖2:SiC JFET柵極的“膝點”電壓與晶粒溫度有準確的對應關系】
實用的解決方案
雙向固態(tài)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制到實用級別,以避免不穩(wěn)定和電磁干擾,而“緩沖電路”網(wǎng)Rs、Cs可幫助抑制關閉時的任何電壓過沖。不可避免地,固態(tài)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(jīng)受關閉時導致的電壓峰值,但是圖示的MOV也有助于限制電壓,而且比使用額定電壓更高的SiC FET更具成本效益,后者的Rds(on)肯定更高。
【圖3:使用SiC FET作為雙向固態(tài)斷路器】
在實踐中,我們使用SiC FET固態(tài)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,可以用并聯(lián)SiC FET晶粒配置。對于單向開關,它可能含UnitedSiC生產(chǎn)的六個并聯(lián)的9毫歐、1200V器件,從而聯(lián)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表明此結構可輕松中斷1950A的峰值故障電流。
【圖4:SiC FET固態(tài)斷路器安全地中斷接近2000A的電流】
SiC FET導通電阻的溫度系數(shù)良好,有助于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(tài)斷路器的未來
目前,機械斷路器可能具有價格優(yōu)勢,但是仍不屬于低成本器件,尤其是汽車級器件。在電動車銷量激增的背景下,斷路器市場也在擴大,在此情況下,固態(tài)斷路器也會隨著SiC在逆變器中的使用和單位成本的降低而從規(guī)模經(jīng)濟中獲益。與此同時,鑒于寬帶隙半導體技術仍處于發(fā)展初期且距離理論性能極限和最佳制程良率仍有一段距離,無論如何價格都會持續(xù)降低。例如,據(jù)預測,在未來幾年內(nèi),SiC FET的性能表征Rds.A將提高2到3倍,晶圓成本會減半。
由于開關速度快、無電弧、免維護帶來的切實成本節(jié)省,采用SiC FET的固態(tài)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《功率系統(tǒng)設計》
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