使用SiC FET替代机械断路器的固态解决方案

机械断路器损耗小，但速度很慢，且容易磨损。本博文概述如何通过采用 SiC FET 的固态解决方案解决这些问题，并且损耗也会持续降低。

这篇博客文章最初由 United Silicon Carbide (UnitedSiC) 发布，该公司于 2021 年 11 月加入 Qorvo 大家庭。UnitedSiC 是一家领先的碳化硅 (SiC) 功率半导体制造商，它的加入促使 Qorvo 将业务扩展到电动汽车 (EV)、工业电源、电路保护、可再生能源和数据中心电源等快速增长的市场。

工程界有一句谚语：“会动的都会坏”。我们都知道，像风扇或继电器这样的机械部件通常是第一个出现故障的，在关键系统中，我们需要使用预防性维护程序，及时更换可能存在问题的部件，以防万一发生故障。更糟糕的是，当机械部件以较高的正常应力水平运转时，仍必须在紧急情况下确保性能可靠，比如：与电动汽车电池串联的接触断路器。

在这种情况下，运行的电流可达到数百安培，当发生短路而必须断开断路器时，电流可达数千安培。此时电压也比较高，通常高于 400VDC，当故障电流被切断时，由于存在连接电感，电压峰值还会更高。电压会导致产生电弧，而电弧会使断路器触点汽化，并且因为是直流电，不像交流电那样存在可以熄灭电弧的过零点，所以电弧还会持续存在。同时，导通和断开的速度也很缓慢，大约要几十毫秒，从而可能会导致在短路条件下出现破坏性允通能量。随着断路器老化，它会变得越来越慢，且损耗也越来越大。总而言之，在大电流机械断路器的使用过程中会遇到诸多困难，因此必须打造得坚固耐用，有时还需要采用特殊方法来消除电弧，比如：产生一些压缩气体或使用磁性灭弧线圈。

自然而然地，可以替代机械断路器的固态断路器 (SSCB) 出现了，新的断路器使用了几乎所有可用的半导体技术制造，包括 MOSFET、IGBT、SCR 和 IGCT 等技术，可以很好地解决电弧和机械磨损问题。固态断路器的最大缺点就是压降，比如说，IGBT 在 500A 下的压降为 1.7V，从而会产生 850W 功耗，令人大失所望。IGCT 的压降可能较低，但体积非常大。MOSFET 并没有像 IGBT 那样的 “拐点” 电压，但有导通电阻。为了在 IGBT 的基础上加以改良，RDS(on) 需低于3.4 毫欧，且额定电压应高于 400V，而这是目前单个 MOSFET 无法实现的。并联多个 MOSFET 也许可以做到，但成本会急剧攀升，如果您还需要双向导电能力，则成本还会再次翻倍。机电断路器不便宜，但相比之下仍具有成本优势。

SiC 会带来改变吗？

那么，神奇的宽带隙半导体新技术能否弥补不足？在晶粒面积相同的情况下，碳化硅开关的导通电阻比硅开关低 10 倍左右，具有更出色的热导率，可以耗散所有热量，因此能够应对两倍的最高温度。如此便能在小型封装内并联足够多的晶粒，以在 IGBT 基础上改进并用作 SSCB，而 SiC FET 则是一个理想的备选技术。SiC JFET 和 Si-MOSFET 的共源共栅结构易于驱动，并且具有在当前开关技术中十分出色的 RDS(on) x A 品质因数。UnitedSiC 做了一个 SSCB 相关示范。通过将其 6 个 1200V 双栅极晶粒并联，并采用 SOT-227 封装以 1200V/300A 的额定值，实现了 2.2 毫欧电阻。在测试中，该原型安全地中断了近 2000A 的故障电流，波形如图所示。

图 1：安全中断近 2000A 电流的 SiC FET SSCB

如果将内部 JFET 栅极引出至单独的引脚，则可以在快速开关应用中更直接地控制边缘速率，并高效地为 SSCB 等应用提供所需的可选常闭、常开操作。可略微正向偏置 JFET 栅极的特性也能稍微提高导通电阻。不过该原型还存在另一个特性，那就是高于约 2V 正电压时，沟道完全导通，栅极就像是正向偏置二极管。如果输入固定的低电流，二极管的实际拐点电压与晶圆温度具有确切的相关性。我们可以对其进行测量，并将其用于快速过温检测，通过记录温度变化趋势还可以帮助长期监测运行健康状态。

SiC FET SSCB 取代机电断路器

是一个正确的发展趋势

SiC FET 为更高电流的 SSCB 应用开辟了新路，随着技术的发展，其损耗只会更低。并联多个器件有可能实现与机械断路器相当的最终损耗，而且随着晶粒的改进，给定电阻所需的晶粒数量必然会减少，未来所需的成本未必仍是阻碍因素。未来几年，电动汽车销量的增长将促使断路器市场膨胀，带来规模经济效应，所以 SiC 晶圆成本必然会减半。考虑到机电解决方案的维护和更换成本，这一点将更具说服力。

审核编辑：刘清