如何利用碳化硅打造下一代固态断路器

本文作者：安森美电源方案事业群工业方案部高级总监Sravan Vanaparthy

如今，碳化硅 (SiC) 器件在电动汽车 (EV) 和太阳能光伏 (PV) 应用中带来的性能优势已经得到了广泛认可。不过，SiC 的材料优势还可能用在其他应用中，其中包括电路保护领域。本文将回顾该领域的发展，同时比较机械保护和使用不同半导体器件实现的固态断路器 (SSCB) 的优缺点。最后，本文还将讨论为什么 SiC 固态断路器日益受到人们青睐。

保护电力基础设施和设备

输配电系统以及灵敏设备都需要妥善的保护，以防因为长时间过载和瞬态短路情况而受到损坏。随着电力系统和电动汽车使用的电压越来越高，可能的最大故障电流也比以往任何时候都更高。为了针对这些高电流故障提供保护，我们需要超快速交流和直流断路器。过去，机械断路器一直是此类应用的主要选择，然而随着工作要求越来越严苛，固态断路器越来越受到欢迎。相较于机械断路器，固态断路器具有许多优势：

• 稳健性和可靠性：机械断路器内含活动部件，因此相对易于受损。这意味着它们容易损坏或因为运动而意外自动断开，并且在使用期间，每次复位都会出现磨损。相比之下，固态断路器不含活动部件，因此更加稳健可靠，也不太容易出现意外损坏，因此能够反复进行数千次断开/闭合操作。

• 温度灵活性：机械断路器的工作温度取决于其制造材料，因此在工作温度方面存在一定的限制。相比之下，固态断路器的工作温度更高并且可以调节，因此它能够更加灵活地适应不同的工作环境。

• 远程配置：机械断路器在跳闸后需要人工手动复位，这可能非常耗时且成本高昂，特别是在多个安装点进行大规模部署的情况下，另外也可能存在安全隐患。而固态断路器则可以通过有线或无线连接进行远程复位。

• 开关速度更快且不会产生电弧：机械断路器在开关时可能会产生较大的电弧和电压波动，足以损坏负载设备。固态断路器采用软启动方法，可以保护电路不受这些感应电压尖峰和电容浪涌电流的影响，而且开关速度要快得多，在发生故障时只需几毫秒即可切断电路。

• 灵活的电流额定值：固态断路器具有可编程的电流额定值，而机械断路器则具有固定的电流额定值。

• 尺寸更小、重量更轻：相较于机械断路器，固态断路器重量更轻、体积更小。

现有固态断路器的局限性

虽然固态断路器相较于机械断路器具有多项优势，但它们也存在一些缺点，具体包括电压/电流额定值受限制、导通损耗更高且价格更贵。通常，对于交流应用，固态断路器基于可控硅整流器 (TRIAC)，而对于直流系统，则基于标准平面 MOSFET。TRIAC 或 MOSFET 负责实现开关功能，而光隔离驱动器则用作控制元件。然而，在具有高输出电流的情况下，基于 MOSFET 的高电流固态断路器需要使用散热片，这就意味着它们无法达到与机械断路器相同的功率密度水平。

同样地，使用绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 实现的固态断路器也需要散热片，因为当电流超过几十安培时，饱和电压会导致过多的功率损耗。举例来说，当电流为 500 安培时，IGBT 上的 2V 压降会产生高达 1000W 的功率损耗。对于同等功率水平，MOSFET 需要具有约 4 mΩ 的导通电阻。随着电动汽车中器件的电压额定值朝着 800V（甚至更高）发展，目前没有单一器件能够实现这一电阻水平。虽然理论上可以通过并联多个器件来实现该数字，但这样的做法会显著增加方案的尺寸和成本，尤其是在需要处理双向电流的情况下。

使用 SiC 功率模块打造下一代固态断路器

与硅芯片相比，SiC 芯片在相同额定电压和导通电阻条件下，尺寸可以缩小多达十倍。此外，与硅器件相比，SiC 器件的开关速度至少快 100 倍，并且它可以在高达两倍以上的峰值温度下工作。同时，SiC 具有出色的导热性能，因此在高电流水平下具有更好的稳健性。安森美利用 SiC 的这些特性开发了一系列 EliteSiC 功率模块，其 1200V 器件的导通电阻低至 1.7mΩ。这些模块在单个封装中集成了两到六个 SiC MOSFET。

烧结芯片技术（将两个独立芯片烧结在一个封装内）甚至在高功率水平下也能提供可靠的产品性能。由于具备快速开关行为和高热导率，因此该类器件可以在故障发生时快速而安全地“跳闸”（断开电路），阻止电流流动，直到恢复正常工作条件为止。这样的模块展示了越来越有可能将多个 SiC MOSFET 器件集成到单个封装中，以实现低导通电阻和小尺寸，从而满足实际断路器应用的需求。此外，安森美还提供承受电压范围为 650V 到 1700V 的 EliteSiC MOSFET 和功率模块，因此这些器件也可用于打造适合单相和三相家庭、商业和工业应用的固态断路器。安森美具有垂直整合的 SiC 供应链，能够提供近乎零缺陷的产品，这些产品经过全面的可靠性测试，能够满足固态断路器制造商的需求。

图 1：安森美完整的端到端碳化硅 (SiC) 供应链

下图展示了固态断路器的模块化实现方式，其中以并联配置连接多个 1200V SiC 芯片和多个开关来实现了极低的 rdson 和优化的散热效果。下方这些完全集成的模块具有优化的引脚位置和布局，有助于减少寄生效应，提高开关性能和缩短故障响应时间。安森美提供丰富多样的 SiC 模块产品组合，模块额定电压为 650V、1200V 和 1700V，并且其中一些模块带有底板，而另一些则无底板，以便满足不同的应用需求和效率需求。

图 2：适用于固态断路器的 SiC B2B 模块- 480VAC -200A

图 3：适用于固态断路器应用的安森美模块

SiC 技术和固态断路器将共同发展机械断路器具有低功率损耗和更高的功率密度，目前价格也低于固态断路器。另外，机械断路器容易因为反复使用而发生磨损，并且复位或更换会产生昂贵的人工维护成本。随着电动汽车的日益普及，市场对断路器和 SiC 器件的需求将持续增长，因此这种宽禁带技术的成本竞争力会日益增强，并且其对固态断路器方案的吸引力也会不断增加。随着 SiC 工艺技术的不断进步和独立 SiC MOSFET 的电阻进一步降低，固态断路器的功率损耗最终会达到与机械断路器相媲美的水平，那时功率损耗将不再是个问题。基于 SiC 器件的固态断路器具备开关速度快、无电弧以及零维护等优势，能够带来显著的成本节约，因此必将成为市场广泛采用的主流选择。

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原文标题：如何利用碳化硅打造下一代固态断路器

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