機(jī)械斷路器損耗小，但速度很慢，且容易磨損。本博文概述如何通過(guò)采用 SiC FET 的固態(tài)解決方案解決這些問(wèn)題，并且損耗也會(huì)持續(xù)降低。

這篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 發(fā)布，該公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家領(lǐng)先的碳化硅 (SiC) 功率半導(dǎo)體制造商，它的加入促使 Qorvo 將業(yè)務(wù)擴(kuò)展到電動(dòng)汽車(chē) (EV)、工業(yè)電源、電路保護(hù)、可再生能源和數(shù)據(jù)中心電源等快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)。

工程界有一句諺語(yǔ)：“會(huì)動(dòng)的都會(huì)壞”。我們都知道，像風(fēng)扇或繼電器這樣的機(jī)械部件通常是第一個(gè)出現(xiàn)故障的，在關(guān)鍵系統(tǒng)中，我們需要使用預(yù)防性維護(hù)程序，及時(shí)更換可能存在問(wèn)題的部件，以防萬(wàn)一發(fā)生故障。更糟糕的是，當(dāng)機(jī)械部件以較高的正常應(yīng)力水平運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，仍必須在緊急情況下確保性能可靠，比如：與電動(dòng)汽車(chē)電池串聯(lián)的接觸斷路器。

在這種情況下，運(yùn)行的電流可達(dá)到數(shù)百安培，當(dāng)發(fā)生短路而必須斷開(kāi)斷路器時(shí)，電流可達(dá)數(shù)千安培。此時(shí)電壓也比較高，通常高于 400VDC，當(dāng)故障電流被切斷時(shí)，由于存在連接電感，電壓峰值還會(huì)更高。電壓會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生電弧，而電弧會(huì)使斷路器觸點(diǎn)汽化，并且因?yàn)槭侵绷麟?，不像交流電那樣存在可以熄滅電弧的過(guò)零點(diǎn)，所以電弧還會(huì)持續(xù)存在。同時(shí)，導(dǎo)通和斷開(kāi)的速度也很緩慢，大約要幾十毫秒，從而可能會(huì)導(dǎo)致在短路條件下出現(xiàn)破壞性允通能量。隨著斷路器老化，它會(huì)變得越來(lái)越慢，且損耗也越來(lái)越大?？偠灾?，在大電流機(jī)械斷路器的使用過(guò)程中會(huì)遇到諸多困難，因此必須打造得堅(jiān)固耐用，有時(shí)還需要采用特殊方法來(lái)消除電弧，比如：產(chǎn)生一些壓縮氣體或使用磁性滅弧線圈。

自然而然地，可以替代機(jī)械斷路器的固態(tài)斷路器 (SSCB) 出現(xiàn)了，新的斷路器使用了幾乎所有可用的半導(dǎo)體技術(shù)制造，包括 MOSFET、IGBT、SCR 和 IGCT 等技術(shù)，可以很好地解決電弧和機(jī)械磨損問(wèn)題。固態(tài)斷路器的最大缺點(diǎn)就是壓降，比如說(shuō)，IGBT 在 500A 下的壓降為 1.7V，從而會(huì)產(chǎn)生 850W 功耗，令人大失所望。IGCT 的壓降可能較低，但體積非常大。MOSFET 并沒(méi)有像 IGBT 那樣的 “拐點(diǎn)” 電壓，但有導(dǎo)通電阻。為了在 IGBT 的基礎(chǔ)上加以改良，RDS(on)?需低于3.4 毫歐，且額定電壓應(yīng)高于 400V，而這是目前單個(gè) MOSFET 無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。并聯(lián)多個(gè) MOSFET 也許可以做到，但成本會(huì)急劇攀升，如果您還需要雙向?qū)щ娔芰Γ瑒t成本還會(huì)再次翻倍。機(jī)電斷路器不便宜，但相比之下仍具有成本優(yōu)勢(shì)。

SiC 會(huì)帶來(lái)改變嗎？

那么，神奇的寬帶隙半導(dǎo)體新技術(shù)能否彌補(bǔ)不足？在晶粒面積相同的情況下，碳化硅開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻比硅開(kāi)關(guān)低 10 倍左右，具有更出色的熱導(dǎo)率，可以耗散所有熱量，因此能夠應(yīng)對(duì)兩倍的最高溫度。如此便能在小型封裝內(nèi)并聯(lián)足夠多的晶粒，以在 IGBT 基礎(chǔ)上改進(jìn)并用作 SSCB，而?SiC FET?則是一個(gè)理想的備選技術(shù)。SiC JFET 和 Si-MOSFET 的共源共柵結(jié)構(gòu)易于驅(qū)動(dòng)，并且具有在當(dāng)前開(kāi)關(guān)技術(shù)中十分出色的 RDS(on)?x A?品質(zhì)因數(shù)。UnitedSiC 做了一個(gè) SSCB 相關(guān)示范。通過(guò)將其 6 個(gè) 1200V 雙柵極晶粒并聯(lián)，并采用 SOT-227 封裝以 1200V/300A 的額定值，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近 2000A 的故障電流，波形如圖所示。

圖 1：安全中斷近 2000A 電流的 SiC FET SSCB

如果將內(nèi)部 JFET 柵極引出至單獨(dú)的引腳，則可以在快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用中更直接地控制邊緣速率，并高效地為 SSCB 等應(yīng)用提供所需的可選常閉、常開(kāi)操作?？陕晕⒄蚱?JFET 柵極的特性也能稍微提高導(dǎo)通電阻。不過(guò)該原型還存在另一個(gè)特性，那就是高于約 2V 正電壓時(shí)，溝道完全導(dǎo)通，柵極就像是正向偏置二極管。如果輸入固定的低電流，二極管的實(shí)際拐點(diǎn)電壓與晶圓溫度具有確切的相關(guān)性。我們可以對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，并將其用于快速過(guò)溫檢測(cè)，通過(guò)記錄溫度變化趨勢(shì)還可以幫助長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)運(yùn)行健康狀態(tài)。

SiC FET SSCB 取代機(jī)電斷路器

是一個(gè)正確的發(fā)展趨勢(shì)

SiC FET 為更高電流的 SSCB 應(yīng)用開(kāi)辟了新路，隨著技術(shù)的發(fā)展，其損耗只會(huì)更低。并聯(lián)多個(gè)器件有可能實(shí)現(xiàn)與機(jī)械斷路器相當(dāng)?shù)淖罱K損耗，而且隨著晶粒的改進(jìn)，給定電阻所需的晶粒數(shù)量必然會(huì)減少，未來(lái)所需的成本未必仍是阻礙因素。未來(lái)幾年，電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量的增長(zhǎng)將促使斷路器市場(chǎng)膨脹，帶來(lái)規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，所以 SiC 晶圓成本必然會(huì)減半?？紤]到機(jī)電解決方案的維護(hù)和更換成本，這一點(diǎn)將更具說(shuō)服力。

審核編輯：劉清