近年来@@，人们对固态断路器@@@@和@@固态功率@@控制器的@@兴趣越来越浓厚@@。鉴于@@SiC JFET在@@高额定电压下@@具有低开态电阻而且它在@@需要时@@进行限流的@@能力毫不逊色@@，它们一直被视为此应用的@@理想器件@@@@。我们调查了常关型@@SiC FET在@@双栅极@@结构@@中@@的@@使用@@情况@@，以简化大电流@@直流断路器@@和@@交流断路器@@的@@开发@@。
有许多研究对固态断路器@@@@的@@优势进行了探索@@，它们可以大致分为混合断路器@@和@@没有机械部件的@@完全固态断路器@@@@@@。本文重点介绍固态断路器@@@@@@。表@@1展现了在@@与@@现有机电断路器@@和@@继电器比较时@@@@，固态断路器@@@@的@@优势和@@劣势概览@@。固态断路器@@@@的@@已知重要优势是能够在@@@@1纳秒@@/微秒内中@@断电流@@@@，而机电断路器@@需要的@@时@@间为毫秒级@@。在@@中@@断内阻抗非常低的@@电力来源@@时@@@@，例如@@电动车电池@@@@，这一优势会变得越来越宝贵@@。它还可以用于中@@断直流电路@@，而无需周全的@@电弧防止措施@@。没有移动部件和@@接触降级的@@特点使其能在@@进行现场更换前执行更多周期的@@故障防护@@。然而@@，固态断路器@@@@的@@电阻@@比机械接触高@@，从而使其成本与@@电流@@比要高得多@@。对于基本单极器件@@@@，由@@于@@半导体的@@额定电压变高@@，在@@相同面积的@@所用材料下@@@@，电阻会随着@@@@V2或@@V2.5一起增加@@@@。由@@于@@断路器@@电压级的@@升高@@，这会直接影响成本@@。
表@@1：固态断路器@@@@与@@机电断路器@@的@@特征比较@@
为什么用@@SiC进行电路保护@@@@
固态保护电路的@@主要功能是在@@开态下@@@@以尽可能小的@@电阻@@损耗传导电流@@@@，并能够在@@系统控制器建议中@@断电流@@时@@中@@断电流@@@@。在@@不到@@600 V的@@低压@@下@@@@，硅@@MOSFET的@@电阻@@低@@，是打造断路器@@@@、继电器和@@电子@@保险丝的@@成本@@经济的@@选择@@，而且已经应用于@@48V电池系统@@。一旦所需的@@电压超过@@600 V，即使超结@@（SJ）MOSFET等先进的@@硅@@技术@@的@@电阻@@也会过高@@。IGBT虽然能够提供非常低的@@微分阻抗@@，但是在@@其导电特征中@@有拐点@@，从而使导电过程中@@的@@功率@@损耗过高@@，这反过来导致需要去除更多热量@@。在@@电压超过@@3000 V时@@，则使用@@@@IGCT实施断路器@@@@。
图@@1显示的@@是硅@@@@SJ MOSFET、GaN FET、SiC MOSFET和@@基于@@@@SiC-JFET的@@SiC FET的@@具体导通电阻@@。应该@@很明显的@@一个事实是@@，在@@从@@600至@@2000 V的@@大电压范围内@@@@，SiC FET能在@@单位面积内实现极低的@@电阻@@@@。这允许人们开发出导电损耗极低@@、极为小巧和@@经济高效的@@固态断路器@@@@@@。在@@散热受限的@@应用中@@@@，它们会非常有用@@。所有@@SiC器件@@也都能够承受很高的@@瞬时@@升温@@（例如@@在@@短路事件中@@@@），这一特点在@@处理四倍@@于硅@@器件@@的@@单位面积能量时@@十分有用@@。这是因为@@宽带隙会导致需要高得多的@@温度才能通过热量生产足够的@@载波子@@，从而降低@@开关的@@电压闭锁能力@@。4H-SiC的@@导热系数比@@GaN或@@基于@@@@Si的@@器件@@@@高三倍@@@@，允许高效散热@@，从而允许在@@更高的@@电流@@密度下@@运行@@。
图@@1：比较多种半导体的@@具体导通电阻@@与@@电压@@
基于@@SiC的@@电路保护@@的@@主要应用@@
鉴于@@固态电路保护@@的@@成本@@普遍较高@@，它很可能用于速度@@、可控性@@、可靠性和@@重量轻这几个特征比成本溢价要重要的@@情况@@。这是典型的@@新技术@@@@，而且由@@于@@@@总是会随着@@技术@@@@（尤其是@@SiC）的@@成熟和@@扩展出现的@@成本@@降低@@@@，它的@@应用领域会更广@@。
鉴于@@直流电力来源@@@@（太阳能@@、电动车电池@@、能量存储等@@）和@@直流负载的@@迅速增长@@，直流断路器@@领域正在@@考察需要使用@@@@750 V – 1200 V FET的@@基于@@@@SiC的@@断路器@@@@。在@@电动车@@、船@@、飞机应用中@@@@，需要非常低的@@导电损耗@@，且电弧闪光带来了安全隐患@@，因此@@固态断路器@@@@是一个好解决方案@@。固态解决方案的@@能力是快速中@@断短路事件@@，不让电流@@上升到@@5 kA或@@10 kA以上@@，这一能力十分宝贵@@。在@@保护层级中@@@@，可以在@@主断路器@@和@@下@@游断路器@@之间实现更快的@@协调@@。
大功率@@交流断路器@@也能从固态解决方案的@@使用@@中@@获益@@，这主要是因为@@现在@@可以使用@@与@@机械接触相媲美的@@@@1200 V SiC FET来实现导通电阻@@，且整体解决方案可以大幅简化现场维护@@。固态开关直接带来的@@@@快速电流@@中@@断和@@浪涌电流@@限制能改进功能@@，从而带来更多价值@@。
家居空间@@中@@的@@交流断路器@@可以利用@@SiC器件@@无与@@伦比的@@低导电损耗@@，以便在@@除了传统负载外的@@使用@@太阳能@@电池板@@、能量存储和@@电动车的@@新兴环境中@@实现智能解决方案来管理能量@@。尽量降低@@生成的@@热量可实现具有成本效益的@@断路器@@@@面板@@，而不需要任何风扇来冷却@@。
除了固态断路器@@@@外@@，这些器件@@还用于构造固态功率@@控制器@@，它可在@@船@@和@@飞机上的@@多个发电来源@@与@@负载之间调节受管理的@@功率@@流@@。像故障电流@@一样@@，浪涌电流@@也能得到有效控控制@@。
固态断路器@@@@在@@铁路牵引中@@也能发挥作用@@，能促进更好地管理接触网@@与@@系统功率@@电子@@器件@@之间的@@更快的@@故障响应@@。这可以帮助降低@@下@@游功率@@电子@@器件@@的@@体积@@、重量和@@成本@@。系统可靠性和@@寿命也能受益@@。
在@@一系列新兴应用中@@@@，SiC JFET被用作@@双向限流开关@@、自供电断路器@@和@@超共源共栅高压断路器@@@@。
在@@功能安全方面@@，对于即使失去栅极功率@@@@，晶体管保持开态也有好处的@@应用@@，常开型@@SiC JFET是十分有用的@@器件@@@@@@。可考虑在@@高压侧使用@@常关型器件@@而在@@低压@@侧使用@@常开型@@@@JFET的@@全桥整流器@@。此桥仍然存在@@@@，作为到输入侧的@@常关器件@@@@，但是由@@于@@低压@@侧@@JFET可以在@@两个都打开@@时@@让输出短接@@，它们可以在@@失去控制力时@@作为分流器@@。此种方法可以改进电动机逆变器的@@设计@@，在@@该@@应用中@@简单地使用@@常开器件@@作为低压@@侧@@FET可以简化功能安全性的@@管理@@。
在@@上述所有@@领域@@，固态解决方案监视其运行状况的@@能力以及允许轻松按计划维护而不是@@在@@故障后再维修的@@能力都是显著优势@@，而事实表@@明双栅极@@@@SiC FET提供了这方面的@@最佳选项@@。
JFET、SiC FET和@@双栅极@@@@SiC FET结构@@
图@@2比较了@@SiC MOSFET和@@SiC JFET的@@基本结构@@@@。图@@1中@@表@@明了@@SiC JFET具有较低的@@单位面积导通电阻@@，这要归功于无低迁移沟道和@@无需保护栅氧化层免受强磁场影响@@，强磁场需要附加屏蔽@@，而这会增加@@导通电阻@@。然而@@，JFET是常开型@@器件@@@@，而为了打造常关型器件@@@@，可以将低压@@硅@@@@MOSFET与@@SiC JFET以共源共栅结构@@@@串联@@，如图@@@@2所示@@，这可使@@RDS(on)增加@@5 – 15%。这个@@串联连接的@@器件@@@@可以配置为基本共源共栅结构@@@@@@，也就是@@SiC FET，也可以配置为双栅极@@器件@@@@，让低压@@@@MOSFET和@@SiC JFET的@@栅极@@都可以从外部接触到@@。
图@@2：JFET中@@的@@低沟道电阻导致的@@@@SiC MOSFET和@@SiC FET的@@电阻@@差异@@
图@@3：基于@@SiC JFET的@@器件@@@@的@@结构@@@@
在@@图@@@@3中@@，左@@侧的@@图@@显示的@@是与@@传统@@MOSFET一样采用@@TO-247封装的@@@@SiC JFET。中@@间的@@图@@显示的@@是如何在@@高压@@SiC JFET晶粒的@@源极@@垫上堆叠低压@@@@MOSFET以形成@@SiC FET共源共栅结构@@@@。在@@封装内@@，SiC JFET的@@栅极@@连接到低压@@@@MOSFET的@@源极@@，构成了完整的@@共源共栅连接@@。该@@器件@@可以像常关型@@MOSFET一样使用@@@@。右@@侧的@@图@@显示的@@是如何在@@相同的@@@@TO-247-4L封装中@@让@@MOSFET栅极和@@@@JFET栅极外露@@，便于用户控制@@。这被称为双栅极@@@@FET（DG FET）。在@@图@@@@内示例中@@@@，1200 V JFET在@@VGS = 2 V时@@的@@电阻@@为@@7 mΩ，在@@VGS = 0 V时@@的@@电阻@@为@@8 mΩ。SiC FET中@@，在@@开态下@@@@，该@@JFET运行时@@的@@@@VGS接近@@0 V。器件@@电阻为@@9 mΩ，其中@@@@1 mΩ是由@@低压@@@@MOSFET带来的@@@@。在@@右@@侧的@@双栅极@@器件@@中@@@@，在@@开态下@@@@，MOSFET打开@@，而且由@@于@@@@JFET可以在@@栅极电压为@@2至@@2.5 V时@@运行@@，其电阻会降至@@@@7 mΩ，而复合器件@@的@@电阻@@降至@@@@8 mΩ。这一开态行为如图@@@@@@4所示@@。
图@@4：VGS = 2 V与@@VGS = 0 V相比电阻较低@@，可用于@@1200 V双栅极@@FET
图@@5以温度函数的@@形式显示了@@1 mA下@@JFET的@@VGS的@@行为@@，相当于感知了栅源@@SiC PN结的@@膝点电压@@。在@@器件@@打开@@时@@@@，栅极驱动电路可以感知该@@电压@@，进而直接决定@@@@TJ。这种感知的@@@@TJ方法远比感知@@VDS(on) = (ID ∙ RDS(on))要准确@@。各个器件@@的@@小电流@@膝点电压差异不大@@，因为@@它不受许多会导致@@RDS(on)变化的@@过程因素的@@影响@@。在@@将温度感知二极管@@集成到@@SiC芯片时@@@@，它的@@速度和@@准确性也都很出色@@。最后@@，在@@功率@@模块中@@使用@@@@NTC感知温度和@@@@/或@@感知控制集成电路的@@@@TJ无法与@@这种@@JFET VGS感知方法能实现的@@必要响应速度和@@准确性相比@@。
图@@5：使用@@SiCJFET的@@开态@@VGS监视其结温@@
在@@已知运行条件下@@的@@@@JFET TJ变化可以与@@检查正常运行条件下@@器件@@老化的@@基准进行对比@@。TJ过高可能标志着使用@@寿命即将终止@@，让您可以在@@发生严重故障前更换@@。因为@@TJ响应速度达到微秒级@@，十分准确@@，所以还可以在@@瞬时@@事件中@@监视芯片升温@@，从而在@@开关损坏前关闭@@，例如@@在@@断路器@@激活时@@@@。
在@@简单的@@@@4端子@@DG FET中@@，低压@@FET中@@的@@开态@@压降会影响外部测量的@@@@VGS，因此@@必须进行校正才能得到结温@@。在@@引脚数较大的@@封装中@@@@，可以直接使用@@@@JFET源极电势来提高@@提取的@@@@TJ的@@准确性@@。也可以将@@DG FET作为两个分立@@器件@@@@，并带一个@@RDS(on)超低的@@逻辑电平@@SMT分立@@FET，而这可让您直接接触@@JFET栅极和@@@@源极@@。
图@@6：固态断路器@@@@（功率@@188足彩外围@@app ）的@@电路结构@@@@
固态断路器@@@@
固态断路器@@@@常用的@@电路实施如图@@@@@@6所示@@。两个开关以共源极结构@@连接@@，提供双向电压闭锁和@@电流@@@@。跨单个@@FET或@@一对@@FET使用@@RC缓冲电路@@（Rs，Cs）。瞬时@@电压抑制器件@@@@（MOV，TVS）跨晶体管放置@@，用来吸收@@线路和@@负载电感在@@切断电流@@时@@产生的@@电感能量@@。这种电路结构@@可以用于许多应用@@。例如@@，在@@电动出行应用中@@@@，可使用@@此电路代替直流隔离开关@@。因为@@所有@@电池能量都经过固态开关@@，所以额定值为@@500 - 1500 A，1200 V的@@断路器@@@@需要不到@@1mΩ的@@电阻@@。这需要将许多器件@@并联@@@@，而使用@@@@RDS(on)超低的@@器件@@@@可简化这一任务@@。
图@@7显示的@@实验装置可用于@@证实并联双栅极@@@@SiC FET和@@中@@断大故障电流@@的@@能力@@。三个@@TO247-4L器件@@并联@@，每个都是@@9 mΩ，1200 V，整体开关电阻为@@3 mΩ。
图@@7：固态断路器@@@@测试电路示意图@@@@，其中@@@@的@@开关由@@三个@@双栅极@@@@SiCFET并联构成@@。SiC肖特基二极管@@@@D1-D4（UJ3D065200K3S）用作@@TVS（而不是@@MOV），以在@@关闭瞬间保护开关@@。
左@@-图@@8：1200 V双栅极@@器件@@中@@的@@@@RDS(on)与@@温度的@@关系@@
右@@-图@@9：1200 V双栅极@@器件@@中@@的@@@@Vth与@@温度的@@关系@@
图@@8表@@明器件@@导通电阻具有正温度系数@@，确保在@@器件@@打开@@时@@@@可以很好地分担电流@@@@。这些器件@@与@@标准@@MOSFET一同运行@@，如在@@本测试中@@的@@@@-5至@@15 V栅极驱动下@@@@，但是也可以使用@@@@0至@@12 V的@@单极栅极驱动@@。在@@每个@@MOSFET和@@JFET栅极处都设有一个@@5 Ω电阻以协助开关期间的@@并联运行@@。这个@@5 Ω JFET RG会让开关关闭放缓@@。由@@于@@该@@电阻比@@JFET的@@固有栅极电阻大很多@@，它可帮助设置共源共栅的@@关闭速度@@，让三个@@并联@@器件@@的@@开关行为匹配@@。跨每个器件@@放置一个@@RC缓冲电路@@，因为@@这种结构@@可以尽量减小缓冲电路@@和@@开关之间存在@@的@@杂散电感@@。JFET Vth随温度发生的@@轻微变化@@（图@@9）对确保在@@开关瞬间实现出色的@@电流@@分担也十分重要@@。
图@@10表@@明的@@是三个@@并联@@@@FET的@@测量得到的@@关闭行为@@。总线电压为@@400 V，TVS夹钳是使用@@@@200 A，650 V SiC肖特基二极管@@@@UJ3D065200K3S创建的@@@@，该@@二极管@@可以吸收@@用于刺激线路电感的@@大小为@@2 µH电感的@@雪崩能量@@。在@@1000 A下@@，该@@能量为@@1 J，因此@@可以将三个@@此类二极管@@并联以提供足够的@@裕度@@。栅极脉冲@@VGS用于让电流@@在@@@@10 µs内渐变至@@@@1150 A，然后关闭@@。由@@于@@2 µH电感器中@@持续存在@@电流@@@@，器件@@电压上升的@@速度取决于开关速度@@（在@@此情况下@@@@，由@@JFET的@@RG决定@@），并且要使用@@缓冲电路@@@@。一旦器件@@达到由@@@@TVS二极管@@击穿决定@@的@@钳位电压@@，电流@@就会传输至@@@@TVS二极管@@。如果@@采用这种布置@@，三个@@TO-247器件@@可以平稳关闭@@1150 A电流@@，如图@@@@10所示@@。请注意@@，SiC FET中@@的@@电流@@会在@@不到@@@@500 ns的@@时@@间内中@@断@@，然后传输至@@雪崩的@@@@TVS阵列@@。电流@@返回至@@零的@@@@5 µs持续时@@间是由@@峰值电流@@决定@@的@@@@，而下@@降的@@斜率则由@@@@BV(TVS)/L1决定@@。VDS波形中@@的@@短暂电压峰值是开关关闭时@@相对较快的@@@@di/dt以及器件@@和@@@@TVS二极管@@之间的@@杂散电感导致的@@@@。这可以通过降低@@关闭速度和@@@@/或@@调整@@RC缓冲电路@@来进一步缓和@@@@。
图@@10：在@@图@@@@7所示@@的@@测试电路中@@@@，三个@@并联@@1200 V双栅极@@器件@@在@@@@1150 A下@@测量得到的@@关闭瞬态波形@@。TVS钳位电压约为@@900 V。
图@@11将双栅极@@器件@@适宜性研究扩展到了@@SOT-227封装中@@的@@@@2 mΩ，1200 V模块内@@，该@@模块内@@共有@@6个此类器件@@并联@@@@。可以使用@@一个@@22 Ω电阻降低@@共源共栅结构@@@@的@@开关速度@@，且器件@@配有一个@@11 Ω，20 nF的@@缓冲电路@@@@。为了方便进行电流@@较大的@@测试@@，线路电感器降低@@至@@@@0.4 µH，并使用@@五个并联的@@@@200 A，650 V二极管@@作为@@TVS。图@@12显示的@@是测试得到的@@波形@@，此时@@@@，模块用于中@@断@@1950 A的@@峰值电流@@@@。VDS波形中@@的@@电压峰值可以通过使用@@@@22 Ω电阻调整@@JFET关闭和@@使用@@较大的@@@@RC缓冲电路@@来消除@@。
图@@11：固态断路器@@@@测试电路示意图@@@@，其中@@@@的@@开关是由@@@@SOT-227封装中@@的@@@@双栅极@@模块与@@六个并联的@@@@9 mΩ，1200 V器件@@构成的@@@@。它与@@封装寄生@@188足彩外围@@app 一起形成了@@2.2 mΩ，1200 V且额定值大于@@300 A的@@器件@@@@。
商业应用@@
当然@@，完整的@@固态断路器@@@@实施会使用@@两个此类开关并让它们以共源极结构@@相连@@。为了应对较大的@@电流@@@@，人们正在@@开发使用@@更多并联器件@@的@@模块@@。虽然在@@这些示例中@@@@，在@@共源共栅形式下@@使用@@双栅极@@器件@@是由@@标准硅@@@@MOSFET/IGBT栅极驱动器来驱动的@@@@，但是更为复杂的@@实施可以使用@@低压@@@@MOSFET作为启动开关直接驱动@@SiC JFET的@@栅极@@。这可以支持@@SIC JFET实现极低的@@导电损耗@@，还可以支持结温感知能力@@。堆叠在@@@@JFET上的@@电流@@感知低压@@@@MOSFET可以消除对昂贵的@@外部电流@@感知方式的@@需求@@。
SiC晶体管可以处理大量雪崩能量@@，最高可达给定面积的@@硅@@的@@@@4倍@@。然而@@，随着@@线路电感和@@电流@@增加@@@@，吸收@@SiC器件@@中@@的@@所有@@雪崩应力变得无法实现@@，从而导致需要使用@@并联@@MOV器件@@。因此@@，固态断路器@@@@解决方案的@@成本@@将取决于@@SiC开关和@@所用@@MOV的@@成本@@。MOV的@@钳制特性使其电阻要高得多@@，因此@@峰值电压会比在@@这些演示中@@使用@@@@SiC TVS二极管@@时@@要高得多@@。MOV的@@大小经过调整可让峰值电压低于@@SiC器件@@的@@额定击穿电压@@，如果@@SiC组件的@@额定电压降低@@@@，则此@@MOV必须更大@@。在@@本文的@@示例中@@@@，总线电压位于@@400 – 600 V范围内@@，MOV让峰值电压保持在@@@@1200 V 以下@@以应对最糟糕的@@关闭电流@@@@，从而允许使用@@@@1200 V的@@SiC器件@@。理论上@@，可以将峰值电压控制在@@@@1500 – 1700 V的@@成本@@较低的@@@@MOV可能要求使用@@@@1700 V器件@@，而这会让@@SiC解决方案的@@成本@@提高@@接近@@一倍@@@@。换言之@@，SiC的@@成本@@和@@@@MOV的@@成本@@与@@体积之间存在@@此消彼长的@@情况@@，这种逐渐变化伴随着@@断路器@@必须承受的@@最糟糕的@@能量@@。在@@某些应用中@@@@，最终的@@体积和@@重量方面的@@考虑会限制断路器@@的@@大小@@，导致需要额定电压高且更昂贵的@@@@SiC断路器@@。
图@@12：在@@图@@@@11所示@@的@@测试电路中@@@@，1200 V双栅极@@模块在@@@@1950 A下@@测得的@@关闭瞬态波形@@。TVS夹钳电压约为@@900 V。
随着@@SiC器件@@采用量的@@提高@@@@，它的@@成本@@在@@迅速降低@@@@，市场预测@@SiC器件@@的@@情况时@@大部分目光都集中@@在@@电动车@@细分市场的@@可能增长上@@。预计未来几年内@@，产量驱动的@@效率会将@@SiC晶圆的@@成本@@降低@@一半@@。预测中@@的@@@@SiC JFET技术@@的@@提升将会稳步降低@@@@RDSA，还将与@@产量带来的@@@@效率一起将成本降到新低@@。图@@13中@@显示了这些因素以及预测的@@@@@@SiC收入增长@@（来源@@：IHS Markit）。当前的@@大部分预测没有计入大规模采用固态断路器@@@@会带来的@@@@影响@@，这大概是由@@于@@固态断路器@@@@与@@机电断路器@@的@@成本@@差异造成的@@@@。如果@@确实所有@@电池电量都要经过固态断路器@@@@@@，则仅电动车中@@采用的@@固态断路器@@@@就会让预测的@@@@市场规模翻倍@@@@。如果@@将这种逻辑推广到第三节中@@讨论的@@其他应用领域@@，则即使生产和@@使用@@的@@直流电中@@只有一小部分经过固态断路器@@@@和@@控制器@@，市场潜力也会是图@@@@13预想中@@的@@几倍@@@@。
图@@13：预测的@@@@SiC收入增长@@，SiC晶圆成本的@@演变和@@技术@@进步@@（RDSA降低@@）。固态断路器@@@@可能会在@@二十一世纪二十年代的@@后五年内让@@SiC市场翻倍@@@@。
结论@@
使用@@600 – 1200 V级半导体的@@固态断路器@@@@可能正在@@接近@@其采用量的@@引爆点@@。鉴于@@SiC器件@@可以提供的@@低@@RDSA，它们格外适合这个@@电压级@@，且事实表@@明@@，基于@@SiC JFET的@@解决方案在@@这方面表@@现出色@@。电动车和@@其他应用领域的@@@@SiC整体市场的@@增长正在@@形成一个良性循环@@，促使成本降低@@@@。技术@@进步正在@@迅速降低@@@@SiC FET的@@RDSA，而且这种趋势还会在@@未来几年内继续发展@@，使得@@RDSA再降低@@二分之一到三分之二@@。这些不断自我强化的@@趋势将推动固态断路器@@@@的@@成本@@效益的@@提高@@以及后续采用@@。对断路器@@的@@所有@@系统级优势的@@了解和@@探索固态@@、这些器件@@提供的@@有助于监视降级情况的@@度量方法的@@能力@@，以及工业@@4.0现在@@显现出来的@@趋势都表@@明@@，固态电路保护@@领域即将发生重大变革@@。
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