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打破陳規(guī)——將SiC FET作為斷路器

發(fā)布時(shí)間:2022-03-19 來(lái)源:UnitedSiC 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】由于低損耗和低于其他選擇的成本,機(jī)械斷路器一直以來(lái)都是成功之選。但是現(xiàn)在,寬帶隙半導(dǎo)體讓固態(tài)斷路器更具吸引力。


在打開(kāi)狀態(tài)下,機(jī)械斷路器是一種幾乎無(wú)損耗的安全連接方法,在關(guān)閉狀態(tài)下,它能實(shí)現(xiàn)徹底隔離,但是也并非沒(méi)有缺點(diǎn)。它打開(kāi)和關(guān)閉的速度相對(duì)較慢,并會(huì)在接觸點(diǎn)之間釋放電弧,尤其是在使用直流電時(shí),這會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行壽命縮短。機(jī)械斷路器的新應(yīng)用,尤其是電動(dòng)車(chē)中的應(yīng)用,現(xiàn)已將零件性能發(fā)揮到極限,運(yùn)行電流達(dá)到了數(shù)百安,而潛在故障電流達(dá)到數(shù)千安。如果需要約10毫秒來(lái)切斷連接,則在一次短路后就會(huì)允許通過(guò)數(shù)十焦耳能量,這會(huì)造成顯著損壞。


固態(tài)斷路器是一種有局限性的選擇


因?yàn)榍袛噙B接的時(shí)間短得多、完全沒(méi)有電弧和服務(wù)壽命長(zhǎng),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(dǎo)電損耗比機(jī)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(huì)導(dǎo)致超過(guò)數(shù)十安的過(guò)多功率損耗,從而必須采用能大量散熱的技術(shù),讓解決方案本就高昂的成本進(jìn)一步提高。硅MOSFET的導(dǎo)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(huì)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(dá)到850W,而MOSFET可能需要一個(gè)3.4毫歐的導(dǎo)通電阻才能達(dá)到相同功率。雖然這是低壓下的現(xiàn)代MOSFET技術(shù)的領(lǐng)域,但是在單個(gè)器件中,在超過(guò)400V的典型電動(dòng)車(chē)電池電壓所需的額定值下,這些導(dǎo)通電阻級(jí)別目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)。十個(gè)器件并聯(lián)可能可以接近這些級(jí)別,但是成本會(huì)急劇上升,而且如果像在電動(dòng)車(chē)應(yīng)用中的常態(tài)一樣需要雙向電流,則還會(huì)加倍。因此,即使考慮機(jī)電解決方案的終身維護(hù)成本,固態(tài)解決方案的成本也是一大障礙。表1總結(jié)了固態(tài)斷路器與機(jī)電斷路器的優(yōu)缺點(diǎn)。

 

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【表1:固態(tài)斷路器和機(jī)械斷路器比較】


碳化硅將成為固態(tài)斷路器的可行技術(shù)


現(xiàn)已推出的寬帶隙半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)具有比硅超結(jié)MOSFET更好的導(dǎo)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(yīng)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(shì):理論上,SiC比硅好10倍左右,因此,在相同額定電壓和導(dǎo)通電阻下,晶粒面積是硅的十分之一,或者反過(guò)來(lái),晶粒面積與硅相同,導(dǎo)通電阻是硅的十分之一。還有一個(gè)好處,SiC運(yùn)行時(shí)的峰值溫度超過(guò)硅的兩倍,且作為材料,導(dǎo)熱系數(shù)也好得多,從而讓峰值功耗的處理更加安全。

                                       

SiC開(kāi)關(guān)可以采用MOSFET或JFET(圖1左)方式構(gòu)造,后者具有更好的Rds.A性能表征。在功率轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)技術(shù)中,雖然部分應(yīng)用能夠從器件在缺乏柵極控制時(shí)會(huì)短路的事實(shí)中受益,但是JFET在柵極電壓為零時(shí)常開(kāi)的特征被視為一種劣勢(shì)。而SiC JFET還能以“共源共柵”結(jié)構(gòu)與低壓硅MOSFET相連,此時(shí),該組合為常關(guān)型,可通過(guò)簡(jiǎn)單的0-12V柵極驅(qū)動(dòng)輕松控制。這種結(jié)構(gòu)就是SiC FET(圖1中間)。因?yàn)榘?lián)的低壓MOSFET,共源共柵的導(dǎo)通電阻比單個(gè)SiC JFET高5-15%,但是露出兩個(gè)器件柵極以實(shí)現(xiàn)外部控制的共源共柵版本能通過(guò)微調(diào)驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)將導(dǎo)通電阻降至極小。此類(lèi)器件被稱(chēng)為“雙柵極FET”或DG FET(圖1右)。在SiC FET和DG FET構(gòu)造中,一同封裝的低壓硅MOSFET晶?!岸询B”在SiCJFET晶粒上方,如圖所示。

 

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【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(duì)于固定偏置電流,比如1mA的固定偏置電流,晶粒溫度和導(dǎo)致的柵極電壓之間有準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖2)。鑒于在采用DG FET時(shí)可實(shí)現(xiàn)柵極連接,這一對(duì)應(yīng)關(guān)系可用于執(zhí)行準(zhǔn)確而快速的晶粒溫度測(cè)量,以保護(hù)器件和長(zhǎng)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(yīng)用中,這是一個(gè)寶貴的功能。

 

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【圖2:SiC JFET柵極的“膝點(diǎn)”電壓與晶粒溫度有準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系】


實(shí)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(jiǎn)單。JFET上的柵極電阻可將開(kāi)關(guān)速度控制到實(shí)用級(jí)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(guān)閉時(shí)的任何電壓過(guò)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(yīng)的存儲(chǔ)能量,而SiC FET有強(qiáng)大的雪崩額定值,可經(jīng)受關(guān)閉時(shí)導(dǎo)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。

 

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【圖3:使用SiC FET作為雙向固態(tài)斷路器】


在實(shí)踐中,我們使用SiC FET固態(tài)斷路器的目標(biāo)是在IGBT基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn),讓整體導(dǎo)通電阻維持在3毫歐左右,可以用并聯(lián)SiC FET晶粒配置。對(duì)于單向開(kāi)關(guān),它可能含UnitedSiC生產(chǎn)的六個(gè)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(yīng))的額定電阻,額定電壓為1200V,電流超過(guò)300A,可裝入小巧的SOT227標(biāo)準(zhǔn)空間中,與額定值類(lèi)似的IGBT解決方案相當(dāng)。圖4表明此結(jié)構(gòu)可輕松中斷1950A的峰值故障電流。

 

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【圖4:SiC FET固態(tài)斷路器安全地中斷接近2000A的電流】

 

SiC FET導(dǎo)通電阻的溫度系數(shù)良好,有助于確保器件能很好地分擔(dān)電流,與在小電流下不具備天然平衡效應(yīng)的IGBT形成鮮明對(duì)比。


固態(tài)斷路器的未來(lái)


目前,機(jī)械斷路器可能具有價(jià)格優(yōu)勢(shì),但是仍不屬于低成本器件,尤其是汽車(chē)級(jí)器件。在電動(dòng)車(chē)銷(xiāo)量激增的背景下,斷路器市場(chǎng)也在擴(kuò)大,在此情況下,固態(tài)斷路器也會(huì)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(jì)中獲益。與此同時(shí),鑒于寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)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(wú)論如何價(jià)格都會(huì)持續(xù)降低。例如,據(jù)預(yù)測(cè),在未來(lái)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(huì)減半。

 

由于開(kāi)關(guān)速度快、無(wú)電弧、免維護(hù)帶來(lái)的切實(shí)成本節(jié)省,采用SiC FET的固態(tài)斷路器必然會(huì)成為首選的解決方案。當(dāng)SiC FET RDS(on)變得與機(jī)械接觸電阻相當(dāng)且肯定比外部線(xiàn)纜連接低得多時(shí),即使損耗比較也不會(huì)再是一個(gè)問(wèn)題。


轉(zhuǎn)自《功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)》



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