本文作者@@：安森美电源方案事业群工业方案部高级总监@@Sravan Vanaparthy
如今@@，碳化硅@@ (SiC) 器件在电动汽车@@ (EV) 和@@太阳能光伏@@ (PV) 应用中带来的@@性能优势已经得到@@了广泛认可@@。不过@@，SiC 的@@材料优势还可能用在其@@他应用中@@，其@@中包括电路保护领域@@。本文将回顾该领域的@@发展@@@@，同时@@比较机械保护和@@使用@@不同半导体器件实现的@@固态断路器@@@@ (SSCB) 的@@优缺点@@。最后@@，本文还将讨论为什么@@ SiC 固态断路器@@日益受到@@人们青睐@@。
保护电力基础设施和@@设备@@@@
输配电系统以及灵敏设备@@都需要妥善的@@保护@@，以防因为长时间过载和@@瞬态短路情况而受到@@损坏@@。随着@@电力系统和@@电动汽车使用@@的@@电压越来越高@@，可能的@@最大故障电流也比以往任何时候都更高@@。为了针对这些高电流故障提供保护@@，我们需要超快速交流和@@直流断路器@@。过去@@，机械断路器一直是此类应用的@@主要选择@@，然而@@随着@@工作要求越来越严苛@@，固态断路器@@越来越受到@@欢迎@@。相较于机械断路器@@，固态断路器@@具有许多优势@@：
稳健性和@@可靠性@@：机械断路器内含活动部件@@，因此相对易于受损@@。这意味着它们容易损坏或@@因为运动而意外自动断开@@，并且在使用@@期间@@，每次复位都会出现磨损@@。相比之下@@，固态断路器@@不含活动部件@@，因此更加稳健可靠@@，也不太容易出现意外损坏@@，因此能够反复进行数千次断开@@/闭合操作@@。
温度灵活性@@：机械断路器的@@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@@的@@工作温度更高并且可以调节@@，因此它能够更加灵活地适应不同的@@工作环境@@。
远程配置@@：机械断路器在跳闸@@后需要人工手动复位@@，这可能非常耗时且成本高昂@@，特别是在多个安装点进行大规模部署的@@情况下@@，另外@@也可能存在安全隐患@@。而固态断路器@@则可以通过有线或@@无线连接进行远程复位@@。
开关速度更快且不会产生电弧@@：机械断路器在开关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@@采用软启动方法@@，可以保护电路不受这些感应电压尖峰和@@电容浪涌电流的@@影响@@，而且开关速度要快得多@@，在发生故障时只需几毫秒即可切断电路@@。
灵活的@@电流额定值@@：固态断路器@@具有可编程的@@电流额定值@@，而机械断路器则具有固定的@@电流额定值@@。
尺寸更小@@、重量更轻@@：相较于机械断路器@@，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@@相较于机械断路器@@具有多项优势@@，但它们也存在一些缺点@@，具体包括电压@@/电流额定值受限制@@、导通损耗更高且价格更贵@@。通常@@，对于交流应用@@，固态断路器@@基于@@可控硅整流器@@ (TRIAC)，而对于直流系统@@，则基于@@标准平面@@ MOSFET。TRIAC 或@@ MOSFET 负责实现开关功能@@，而光隔离驱动器则用作控制@@188足彩外围@@app 。然而@@，在具有高输出电流的@@情况下@@，基于@@ MOSFET 的@@高电流固态断路器@@需要使用@@散热片@@，这就意味着它们无法达到@@与机械断路器相同的@@功率密度水平@@。
同样地@@，使用@@绝缘栅双极晶体管@@ (IGBT) 实现的@@固态断路器@@也需要散热片@@，因为当电流超过几十安培时@@@@，饱和@@电压会导致过多的@@功率损耗@@@@。举例来说@@，当电流为@@ 500 安培时@@，IGBT 上的@@@@ 2V 压降会产生高达@@ 1000W 的@@功率损耗@@。对于同等功率水平@@，MOSFET 需要具有约@@ 4 mΩ 的@@导通电阻@@。随着@@电动汽车中器件的@@电压额定值朝着@@ 800V（甚至更高@@）发展@@，目前没有单一器件能够实现这一电阻水平@@。虽然理论上可以通过并联多个器件来实现该数字@@，但这样的@@做法会显著增加方案的@@尺寸和@@成本@@，尤其@@是在需要处理双向电流的@@情况下@@。
使用@@ SiC 功率模块@@@@打造下一代固态断路器@@@@
与硅芯片相比@@，SiC 芯片在相同额定电压和@@导通电阻条件下@@，尺寸可以缩小多达十倍@@@@。此外@@，与硅器件相比@@，SiC 器件的@@开关速度至少快@@ 100 倍@@，并且它可以在高达两倍@@以上的@@@@峰值温度下工作@@。同时@@，SiC 具有出色的@@导热性能@@，因此在高电流水平下具有更好的@@稳健性@@。安森美利用@@ SiC 的@@这些特性开发了一系列@@ EliteSiC 功率模块@@@@，其@@ 1200V 器件的@@导通电阻@@低至@@ 1.7mΩ。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@@@@（将两个独立芯片烧结在一个封装内@@）甚至在高功率水平下也能提供可靠的@@产品性能@@。由于具备@@快速开关行为和@@高热导率@@，因此该类器件可以在故障发生时快速而安全地@@“跳闸@@”（断开电路@@），阻止电流流动@@，直到@@恢复正常工作条件为止@@。这样的@@模块@@展示了越来越有可能将多个@@ SiC MOSFET 器件集成到@@单个封装中@@，以实现低导通电阻和@@小尺寸@@，从而满足实际断路器应用的@@需求@@。此外@@，安森美还提供承受电压范围为@@ 650V 到@@ 1700V 的@@ EliteSiC MOSFET 和@@功率模块@@@@@@，因此这些器件也可用于打造适合单相和@@三相家庭@@、商业和@@工业应用的@@固态断路器@@@@。安森美具有垂直整合的@@@@ SiC 供应链@@，能够提供近乎零缺陷的@@产品@@，这些产品经过全面的@@可靠性测试@@，能够满足固态断路器@@制造商的@@需求@@。
图@@ 1：安森美完整的@@端到@@端碳化硅@@@@ (SiC) 供应链@@
下图@@展示了固态断路器@@的@@模块@@化实现方式@@，其@@中以并联配置连接多个@@ 1200V SiC 芯片和@@多个开关来实现了极低的@@@@ rdson 和@@优化的@@散热效果@@。下方这些完全集成的@@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@@开关性能和@@缩短故障响应时间@@。安森美提供丰富多样的@@@@ SiC 模块@@产品组合@@，模块@@额定电压为@@ 650V、1200V 和@@ 1700V，并且其@@中一些模块@@带有底板@@，而另一些则无底板@@，以便满足不同的@@应用需求和@@效率需求@@。
图@@ 2：适用于固态断路器@@的@@@@ SiC B2B 模块@@- 480VAC -200A
图@@ 3：适用于固态断路器@@应用的@@安森美模块@@@@
SiC 技术@@和@@固态断路器@@将共同发展@@@@
机械断路器具有低功率损耗和@@更高的@@功率密度@@，目前价格也低于固态断路器@@@@。另外@@，机械断路器容易因为反复使用@@而发生磨损@@，并且复位或@@更换会产生昂贵的@@人工维护成本@@。随着@@电动汽车的@@日益普及@@，市场对断路器和@@@@ SiC 器件的@@需求将持续增长@@，因此这种宽禁带技术@@的@@成本竞争力会日益增强@@，并且其@@对固态断路器@@方案的@@吸引力也会不断增加@@。随着@@ SiC 工艺技术@@的@@不断进步和@@独立@@ SiC MOSFET 的@@电阻进一步降低@@，固态断路器@@的@@功率损耗@@最终会达到@@与机械断路器相媲美的@@水平@@，那时功率损耗将不再是个问题@@。基于@@ SiC 器件的@@固态断路器@@具备@@开关速度快@@、无电弧以及零维护等优势@@，能够带来显著的@@成本节约@@，因此必将成为市场广泛采用的@@主流选择@@。