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06-18
作者：Sravan Vanaparthy，安森美半导体电源解决方案集团工业解决方案高级总监 如今，碳化硅 (SiC) 器件用于电动汽车 (EV) ）和太阳能光伏（PV）应用所带来的性能优势已得到广泛认可。
然而，SiC 的材料优势也可用于其他应用，包括电路保护。
本文将回顾该领域的发展，同时比较使用不同半导体器件实现的机械保护和固态断路器（SSCB）的优缺点。
最后，本文将讨论为什么 SiC 固态断路器变得越来越受欢迎。
保护电力基础设施和设备输配电系统和敏感设备需要适当的保护，以免因长期过载和瞬态短路情况而造成损坏。
随着电力系统和电动汽车使用越来越高的电压，最大可能的故障电流也比以前更高。
为了针对这些大电流故障提供保护，我们需要超快的交流和直流断路器。
过去，机械断路器一直是此类应用的主要选择，但随着工作要求变得越来越苛刻，固态断路器变得越来越受欢迎。
与机械断路器相比，固态断路器具有许多优点： 坚固性和可靠性：机械断路器包含移动部件，因此相对容易损坏。
这意味着它们很容易因移动而损坏或意外自断开，并且在使用过程中每次重置都会发生磨损。
相比之下，固态断路器不包含移动部件，使其更加坚固且不易发生意外损坏，从而能够执行数千次打开/关闭操作。
温度灵活性：机械式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，固态断路器工作温度较高，且可调，因此可以更灵活地适应不同的工作环境。
·远程配置：机械断路器脱扣后需要手动复位，这不仅耗时、成本高，尤其是在多安装点的大规模部署中，还可能存在安全隐患。
另一方面，固态断路器可以通过有线或无线连接远程重置。
· 切换速度更快，无飞弧：机械式断路器在切换时可能会产生较大的电弧和电压波动，足以损坏负载设备。
固态断路器使用软启动方法来保护电路免受这些感应电压尖峰和电容性浪涌电流的影响，并且它们的切换速度要快得多，在发生故障时只需几毫秒即可中断电路。
灵活的额定电流：固态断路器具有可编程的额定电流，而机械断路器具有固定的额定电流。
·体积更小、重量更轻：与机械式断路器相比，固态断路器重量更轻、体积更小。
现有固态断路器的局限性 虽然固态断路器比机械断路器具有多种优点，但它们也有一些缺点，包括额定电压/电流有限、传导损耗较高以及费用较高。
通常，固态断路器基于适用于交流应用的可控硅整流器 (TRIAC) 和适用于直流系统的标准平面 MOSFET。
TRIAC 或 MOSFET 执行开关功能，而光隔离驱动器则充当控制元件。
然而，由于输出电流较高，基于大电流MOSFET的固态断路器需要使用散热器，这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，使用绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 实现的固态断路器也需要散热器，因为当电流超过数十安培时，饱和电压会导致过多的功率损耗。
例如，当电流为安培时，IGBT 上的 2V 压降可能导致高达 W 的功率损耗。
对于相同的功率水平，MOSFET 需要具有约 4 mΩ 的导通电阻。
随着电动汽车中器件的额定电压逐渐接近 V（或更高），目前还没有任何单个器件能够达到这种电阻水平。
虽然理论上可以通过并联连接多个设备来实现这个数字，但这样做会显着增加解决方案的尺寸和成本，特别是在需要处理双向电流的情况下。
使用SiC功率模块构建下一代固态断路器与硅芯片相比，在相同的额定电压和导通电阻下，SiC芯片的尺寸最多可小十倍。
此外，SiC 器件的开关速度至少比硅器件快 10 倍，并且可以在高达峰值温度两倍以上的温度下运行。
同时，SiC 具有出色的导热性能，因此在高电流水平下具有更高的鲁棒性。
安森美半导体利用 SiC 的这些特性，开发了一系列具有导通电阻低至 1.7mΩ 的 V 器件的 EliteSiC 电源模块。
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（将两个独立的芯片烧结到单个封装中）即使在高功率水平下也能提供可靠的产品性能。
由于其快速开关行为和高导热性，这些设备可以在发生故障时快速安全地“跳闸”（开路），阻止电流流动，直到恢复正常工作条件。
此类模块展示了将多个 SiC MOSFET 器件集成到单个封装中的可能性越来越大，以实现实际断路器应用所需的低导通电阻和小尺寸。
此外，安森美半导体还提供电压范围为 V 至 V 的 EliteSiC MOSFET 和电源模块，因此这些器件还可用于构建单相和三相家用、商业和工业应用的固态断路器。
安森美半导体拥有垂直整合的 SiC 供应链，可提供经过全面可靠性测试的接近缺陷产品，以满足固态断路器制造商的需求。
图 1：安森美半导体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，其中多个 V SiC 芯片和多个开关以并联配置连接，以实现极低的 rdson 和优化的冷却。
以下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、提高开关性能并缩短故障响应时间。
安森美半导体提供广泛的 SiC 模块产品组合，模块额定电压为 V、V 和 V，有些带背板，有些不带背板，以满足不同的应用要求和效率需求。
图 2：用于固态断路器的 SiC B2B 模块 - VAC -A 图 3：用于固态断路器应用的安森美半导体模块 SiC 技术和固态断路器将联合开发具有低功耗、更高功率密度和电流的机械断路器价格也低于固态断路器。
此外，机械式断路器因重复使用而容易磨损，重置或更换会产生昂贵的人工维护成本。
随着电动汽车变得越来越流行，对断路器和 SiC 器件的需求将持续增长，使得这种宽带隙技术对于固态断路器解决方案越来越具有成本竞争力和吸引力。
随着SiC工艺技术不断进步，独立SiC MOSFET的电阻进一步降低，固态断路器的功率损耗最终将达到与机械断路器相当的水平，此时功率损耗将不再是问题。
基于SiC器件的固态断路器具有开关速度快、无飞弧、零维护等优点，可带来显着的成本节约，因此必将成为市场广泛采用的主流选择。
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