在工程界有一句古老的格言——“如果它移動，它就會斷裂”。我們都知道，像風(fēng)扇或繼電器這樣的機械設(shè)備通常是第一個發(fā)生故障的東西，在關(guān)鍵系統(tǒng)中，您需要一個先發(fā)制人的維護和更換這些物品的程序，以防萬一。當(dāng)機械部件以高正常應(yīng)力水平運行時，情況更糟，然后必須在緊急情況下做出可靠的反應(yīng)，例如與電動汽車電池串聯(lián)的接觸斷路器。

在這種情況下，當(dāng)斷路器必須打開時，短路條件下的運行電流可能為數(shù)百安培或數(shù)千安培。電壓很高，通常大于400VDC，當(dāng)故障電流中斷時，由于連接電感，電壓會更高。電壓會導(dǎo)致電弧，這會蒸發(fā)斷路器觸點并持續(xù)存在，因為它是直流電，并且沒有過零來熄滅電弧，就像交流電一樣。 接通和斷開也很慢，大約需要幾十毫秒，這可能會在短路條件下?lián)p壞通過能量。隨著斷路器的老化，它也變得越來越慢，損耗也越來越大。總而言之，對于大電流機械斷路器來說，這是一個艱難的生活，因此它們必須堅固耐用，有時必須使用奇特的方法來清除電弧，例如產(chǎn)生壓縮氣體或使用磁性“井噴”線圈。

當(dāng)然，固態(tài)版本的斷路器（SSCB）已被設(shè)計為替代方案，并且使用幾乎所有可用的半導(dǎo)體技術(shù)制造，從MOSFET到IGBT，SCR和IGCT，它們很好地解決了電弧和機械磨損問題。不過，它們最大的缺點是壓降——例如，IGBT在1A時可能會損失7.500V，從而產(chǎn)生令人尷尬的850W耗散。IGCT 可能較低，但物理上非常大。MOSFET不顯示IGBT的“拐點”電壓，而是表現(xiàn)出導(dǎo)通電阻。為了改進IGBT，這個RDS（開啟）需要小于 3.4 毫歐，額定電壓優(yōu)于 400V，而目前單個 MOSFET 無法實現(xiàn)這一點。許多并行可以做到這一點，但隨后成本螺旋式上升，如果您需要雙向功能，成本會再次翻倍。機電斷路器并不便宜，但仍具有成本優(yōu)勢。

碳化硅能有所作為嗎？

那么，寬帶隙半導(dǎo)體的新奇特技術(shù)能否縮小差距呢？碳化硅開關(guān)在與硅相同的芯片面積下提供大約 10 倍的導(dǎo)通電阻，并且可以應(yīng)對最高溫度的兩倍，并具有更好的導(dǎo)熱性，可以帶走任何熱量。這開辟了在小封裝中并聯(lián)足夠多的芯片的可能性，以改進作為SSCB的IGBT，而SiC FET是理想的候選者。SiC JFET 和 Si-MOSFET 的級聯(lián)代碼易于驅(qū)動，并且具有最佳的 RDS（開啟）x 當(dāng)前開關(guān)技術(shù)中的品質(zhì)因數(shù)。作為 SSCB 演示器，UnitedSiC 將其六個 1200V 雙柵極芯片并聯(lián)，并在 SOT-2 封裝中實現(xiàn)了 2.1200 毫歐電阻，額定值為 300V 和 227A。在測試中，原型機安全地中斷了近2000A的故障電流，波形如圖所示。

圖1.碳化硅場效應(yīng)管 SSCB 安全中斷近 2000A

如果將內(nèi)部JFET柵極引出到單獨的引腳，則可以在快速開關(guān)應(yīng)用中更直接地控制邊沿速率，并提供有效的可選常關(guān)或常導(dǎo)通操作，這在某些應(yīng)用（如SSCB）中是可取的。使JFET柵極略微為正極偏置的能力也略微改善了導(dǎo)通電阻。不過，還有另一個特征出現(xiàn) – 高于約2V正值，溝道完全導(dǎo)通，柵極顯示為正向偏置二極管。現(xiàn)在，如果注入固定的低電流，二極管的實際拐點電壓與芯片溫度有精確的關(guān)系。如果記錄了溫度趨勢，則可以測量并用于快速過溫檢測，甚至可以進行長期健康狀態(tài)監(jiān)測。

SiC FET SSCB 取代機電版本的趨勢是正確的方向

SiC FET為SSCB應(yīng)用開辟了更高電流的應(yīng)用，其損耗只會隨著技術(shù)的進步而降低。并聯(lián)器件以實現(xiàn)與機械斷路器的最終損耗平價是可能的，成本不一定是交易“斷路器”，因為芯片改進并且給定電阻所需的更少。未來幾年，SiC硅片成本也將下降一半，同時電動汽車銷售推動的斷路器市場膨脹的規(guī)模經(jīng)濟也將下降一半。考慮到機電解決方案的維護和更換成本，論點甚至更具說服力。

還有另一句工程格言——“如果它沒有壞，就不要修理它”。我想說的是，不要等待它破裂，考慮使用SiC FET SSCB以獲得無憂的解決方案。

審核編輯：郭婷