【導讀】DC總線電壓為400 V或更大的電氣系統(tǒng)，由單相或三相電網功率或儲能系統(tǒng)（ESS）提供動力，可以通過固態(tài)電路保護提高其可靠性和彈性。在設計高壓固態(tài)電池斷開連接開關時，需要考慮一些基本的設計決策。關鍵因素包括半導體技術，設備類型，熱包裝，設備堅固性以及在電路中斷期間管理電感能量。本文討論了選擇功率半導體技術的設計注意事項，并為高壓，高電流電池斷開開關定義了半導體包裝，以及表征系統(tǒng)寄生電感和過度流動保護限制的重要性。
DC總線電壓為400 V或更大的電氣系統(tǒng)，由單相或三相電網功率或儲能系統(tǒng)（ESS）提供動力，可以通過固態(tài)電路保護提高其可靠性和彈性。在設計高壓固態(tài)電池斷開連接開關時，需要考慮一些基本的設計決策。關鍵因素包括半導體技術，設備類型，熱包裝，設備堅固性以及在電路中斷期間管理電感能量。本文討論了選擇功率半導體技術的設計注意事項，并為高壓，高電流電池斷開開關定義了半導體包裝，以及表征系統(tǒng)寄生電感和過度流動保護限制的重要性。
寬帶半導體技術的優(yōu)勢
需要仔細考慮以選擇的半導體材料以實現(xiàn)具有的狀態(tài)阻力，的離狀態(tài)泄漏電流，高電壓阻滯功能和高功率能力的開關。圖1顯示了硅（SI），碳化硅（SIC）和氮化殼（GAN）的半導體材料特性。 SIC和GAN的電擊球場大約是硅的十倍。這使得具有等效級硅設備厚度的漂移區(qū)域的設備的設計是其厚度的十分之一，因為其厚度與電擊穿場成反比。此外，漂移區(qū)域的電阻與分解場的立方體成反比。這導致較低的漂移區(qū)域阻力降低了近1000倍。在所有損失都是傳導損失的固態(tài)開關應用程序中，高電擊穿場是一個重要的優(yōu)勢。這種降低的電阻還消除了動態(tài)閂鎖問題的擔憂，在硅功率MOSFET和IGBT中，高DV/DT瞬變分別可能觸發(fā)寄生NPN晶體管或晶狀體。
圖1。SI ，SIC和GAN材料特性。圖像由Bodo的Power Systems [PDF]提供
碳化硅的導熱率是SI和GAN的三倍，顯著提高了從芯片中抽出熱量的能力，從而使其能夠運行冷卻器并簡化熱設計。另外，對于等效目標連接溫度，它允許更高的電流操作。較高的熱導率與高電動分解場相結合，導致抗性較低，進一步簡化了熱設計。
碳化硅是一種寬帶gap（WBG）半導體材料，其能量隙幾乎是硅的三倍，可實現(xiàn)更高溫度的運行。半導體在升高的溫度下停止充當半導體。較大的能量隙使碳化硅碳化硅的運行攝入比硅高幾百度，因為自由電荷載體的濃度較低。但是，基于當今技術的其他因素（例如，包裝，門氧化物泄漏）將設備的連接溫度限制為175°C。 WBG技術的另一個優(yōu)點是，它提供了較低的州泄漏電流。
考慮到這些特征，碳化硅是該應用的半導體材料。
IGBT，MOSFET和JFET之間的差異
晶體管的類型是下一個關鍵因素。在大多數情況下，傳導損失提出了的設計挑戰(zhàn)。應將傳導損耗化以滿足系統(tǒng)的熱要求。液體冷卻在某些系統(tǒng)中可用，而另一些系統(tǒng)可以使用強迫空氣或依靠自然對流。除了的傳導損失外，還必須將電壓下降保持在限度，以地提高所有操作點的效率，包括照明條件。這在電池動力系統(tǒng)中尤為重要。在包括直流系統(tǒng)在內的許多系統(tǒng)中，另一個重要因素是雙向電流流。通常需要具有低傳導損耗，低壓下降和反向傳導能力的晶體管。通常考慮的晶體管是IGBT，MOSFET和JFET。
雖然IGBT在峰值負載電流下提供可比的傳導損失作為MOSFET，但一旦負載電流降低，基于IGBT的溶液的效率就會降低。這是因為電壓下降由兩個組件組成：一個近恒定電壓下降，與收集器電流無關，并且與收集器電流成正比的電壓下降。使用MOSFET，電壓下降與源電流成正比。它沒有IGBT的開銷，這可以在所有操作點（包括燈負載條件）上具有很高的效率。 MOSFET允許在象限和第三象限中傳導通道傳導，這意味著電流可以以前和反向方向流過設備。 MOSFET的第三季度操作的另一個好處是，它的狀態(tài)阻力通常比個象限略低。而IGBT僅在個象限中引導電流，并且需要一個反行二極管才能反向電流傳導。 JFET是一種較舊的技術，但進行了復興，可以在前進和反向傳導中起作用，并且像MOSFET一樣，電壓降低與排水管成正比。它與MOSFET不同的地方是它是耗盡模式的設備。也就是說，JFET通常處于打開狀態(tài)，需要柵極偏置以抑制電流的流動。在考慮系統(tǒng)故障條件時，這給設計師帶來了實際挑戰(zhàn)。作為解決方法，可以使用包括一系列低壓硅MOSFET的級聯(lián)配置來實現(xiàn)正常的設備。系列硅設備的添加增加了復雜性，這減少了JFET在高電流應用中的一些優(yōu)勢。 SIC MOSFET是一種通常的設備，在許多系統(tǒng)中提供了所需的低阻力和可控性。
熱包裝
SIC功率模塊可以實現(xiàn)高水平的系統(tǒng)優(yōu)化，而離散的MOSFET很難實現(xiàn)。 Microchip的MSIC模塊可在一系列配置，電壓和當前評分中獲得。其中包括通用源配置，該配置將兩個SIC MOSFET連接在反系列配置中以允許雙向電壓和電流阻斷。每個MOSFET都由并行連接的多個芯片組成，以達到額定的電流和低國家電阻。對于單向電池斷開連接開關，兩個MOSFET與功率模塊并行連接。
需要低的州電阻和低熱阻力來保持芯片涼爽。模塊中使用的材料是確定從連接到情況的熱電阻及其可靠性的重要元素。具體而言，模板，基材和基本材料的特性是模塊熱電阻的主要因素。選擇表現(xiàn)出較高熱導率的材料有助于地減少熱電阻和連接溫度。除熱性能外，選擇具有密切匹配的熱膨脹系數（CTE）的材料還可以通過減少材料界面和內部的熱應力來增加模塊的壽命。表1總結了這些熱特性。氮化鋁（ALN）底物和銅（CU）基礎底物是MSIC功率模塊的標準配置。氮化硅（SI 3 N 4）底物和鋁碳化硅（ALSIC）基礎底板的期權可提供更高的可靠性。圖2中是標準SP3F和SP6C軟件包中的通用功率模塊，以及具有DO-160資格的高可易度底板BL1和BL3軟件包。
設備堅固性和系統(tǒng)電感
除了模塊的熱性能和長期可靠性外，電路中斷設備中的另一個設計考慮因素是高電感能量。繼電器和接觸器的周期數量有限。它們通常用卸載的機械切換循環(huán)指定，并且電氣加載循環(huán)較少。系統(tǒng)中的電感導致跨觸點的弧形，從而在電流損壞時會降解。因此，電氣周期額定值的工作條件是明確定義的，并且對其壽命具有很大的影響。即使那樣，在帶有接觸器或繼電器的系統(tǒng)中仍需要上游保險絲，因為接觸時可能會焊接在高空短路電流時焊接。固態(tài)電池斷開連接開關不會遭受這種降解，從而實現(xiàn)了更高的可靠性系統(tǒng)。盡管如此，了解系統(tǒng)的寄生和負載電感和電容對于管理中斷高電流時存在的電感能量也至關重要。
圖2。Microchip 的MSIC模塊中的通用源配置。圖像由Bodo的Power Systems [PDF]提供
電感能量與中斷時系統(tǒng)中電流的電感和平方成正比。開關輸出端子處的短路會導致電流快速增加，以電池電壓與源電感的比率的速率上升。例如，具有5微源源電感的800 V總線電壓導致電流以每微秒160 a的速率增加。一個5微秒的響應時間來檢測和響應將導致電路中的額外電流為800 a。由于不建議在雪崩模式下操作SIC功率模塊，因此需要使用這種電感能量來保護模塊。但是，在適當設計以滿足蠕變和清除要求時，引入了寄生蟲，進一步限制了其有效性。因此，開關應足夠緩慢地關閉，以限制電壓超重，并從模塊的內部電感上和電流突然下降。具有低電感的模塊有助于進一步地減少這種電壓應力。
在硅電源設備中，高電流的快速中斷引入了觸發(fā)寄生蟲或晶閘管的風險，這導致無法控制的閂鎖和終失敗。在SIC設備上，一個非常快速的關閉可能會導致每個芯片中的雪崩崩潰，直到Snubber或夾具吸收高能量為止。 Microchip的MSIC MOSFET經過設計和測試，以進行無貼壓的電感開關（UIS）堅固性，隨著Snubber或夾具開始降級，提供了額外的安全保證金。圖3顯示了與市場上其他SIC設備相比，單發(fā)和重復的UIS性能。
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