本文作者：安森美電源方案事業群工業方案部高級總監Sravan Vanaparthy

如今，碳化硅 (SiC) 器件在電動汽車 (EV) 和太陽能光伏 (PV) 應用中帶來的性能優勢已經得到了廣泛認可。不過，SiC 的材料優勢還可能用在其他應用中，其中包括電路保護領域。本文將回顧該領域的發展，同時比較機械保護和使用不同半導體器件實現的固態斷路器 (SSCB) 的優缺點。最后，本文還將討論為什么 SiC 固態斷路器日益受到人們青睞。

保護電力基礎設施和設備

輸配電系統以及靈敏設備都需要妥善的保護，以防因為長時間過載和瞬態短路情況而受到損壞。隨著電力系統和電動汽車使用的電壓越來越高，可能的最大故障電流也比以往任何時候都更高。為了針對這些高電流故障提供保護，我們需要超快速交流和直流斷路器。過去，機械斷路器一直是此類應用的主要選擇，然而隨著工作要求越來越嚴苛，固態斷路器越來越受到歡迎。相較于機械斷路器，固態斷路器具有許多優勢：

• 穩健性和可靠性：機械斷路器內含活動部件，因此相對易于受損。這意味著它們容易損壞或因為運動而意外自動斷開，并且在使用期間，每次復位都會出現磨損。相比之下，固態斷路器不含活動部件，因此更加穩健可靠，也不太容易出現意外損壞，因此能夠反復進行數千次斷開/閉合操作。

• 溫度靈活性：機械斷路器的工作溫度取決于其制造材料，因此在工作溫度方面存在一定的限制。相比之下，固態斷路器的工作溫度更高并且可以調節，因此它能夠更加靈活地適應不同的工作環境。

• 遠程配置：機械斷路器在跳閘后需要人工手動復位，這可能非常耗時且成本高昂，特別是在多個安裝點進行大規模部署的情況下，另外也可能存在安全隱患。而固態斷路器則可以通過有線或無線連接進行遠程復位。

• 開關速度更快且不會產生電弧：機械斷路器在開關時可能會產生較大的電弧和電壓波動，足以損壞負載設備。固態斷路器采用軟啟動方法，可以保護電路不受這些感應電壓尖峰和電容浪涌電流的影響，而且開關速度要快得多，在發生故障時只需幾毫秒即可切斷電路。

• 靈活的電流額定值：固態斷路器具有可編程的電流額定值，而機械斷路器則具有固定的電流額定值。

• 尺寸更小、重量更輕：相較于機械斷路器，固態斷路器重量更輕、體積更小。

現有固態斷路器的局限性

雖然固態斷路器相較于機械斷路器具有多項優勢，但它們也存在一些缺點，具體包括電壓/電流額定值受限制、導通損耗更高且價格更貴。通常，對于交流應用，固態斷路器基于可控硅整流器 (TRIAC)，而對于直流系統，則基于標準平面 MOSFET。TRIAC 或 MOSFET 負責實現開關功能，而光隔離驅動器則用作控制元件。然而，在具有高輸出電流的情況下，基于 MOSFET 的高電流固態斷路器需要使用散熱片，這就意味著它們無法達到與機械斷路器相同的功率密度水平。

同樣地，使用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 實現的固態斷路器也需要散熱片，因為當電流超過幾十安培時，飽和電壓會導致過多的功率損耗。舉例來說，當電流為 500 安培時，IGBT 上的 2V 壓降會產生高達 1000W 的功率損耗。對于同等功率水平，MOSFET 需要具有約 4 m? 的導通電阻。隨著電動汽車中器件的電壓額定值朝著 800V（甚至更高）發展，目前沒有單一器件能夠實現這一電阻水平。雖然理論上可以通過并聯多個器件來實現該數字，但這樣的做法會顯著增加方案的尺寸和成本，尤其是在需要處理雙向電流的情況下。

使用 SiC 功率模塊打造下一代固態斷路器

與硅芯片相比，SiC 芯片在相同額定電壓和導通電阻條件下，尺寸可以縮小多達十倍。此外，與硅器件相比，SiC 器件的開關速度至少快 100 倍，并且它可以在高達兩倍以上的峰值溫度下工作。同時，SiC 具有出色的導熱性能，因此在高電流水平下具有更好的穩健性。安森美利用 SiC 的這些特性開發了一系列 EliteSiC 功率模塊，其 1200V 器件的導通電阻低至 1.7m?。這些模塊在單個封裝中集成了兩到六個 SiC MOSFET。

燒結芯片技術（將兩個獨立芯片燒結在一個封裝內）甚至在高功率水平下也能提供可靠的產品性能。由于具備快速開關行為和高熱導率，因此該類器件可以在故障發生時快速而安全地“跳閘”（斷開電路），阻止電流流動，直到恢復正常工作條件為止。這樣的模塊展示了越來越有可能將多個 SiC MOSFET 器件集成到單個封裝中，以實現低導通電阻和小尺寸，從而滿足實際斷路器應用的需求。此外，安森美還提供承受電壓范圍為 650V 到 1700V 的 EliteSiC MOSFET 和功率模塊，因此這些器件也可用于打造適合單相和三相家庭、商業和工業應用的固態斷路器。安森美具有垂直整合的 SiC 供應鏈，能夠提供近乎零缺陷的產品，這些產品經過全面的可靠性測試，能夠滿足固態斷路器制造商的需求。

圖 1：安森美完整的端到端碳化硅 (SiC) 供應鏈

下圖展示了固態斷路器的模塊化實現方式，其中以并聯配置連接多個 1200V SiC 芯片和多個開關來實現了極低的 rdson 和優化的散熱效果。下方這些完全集成的模塊具有優化的引腳位置和布局，有助于減少寄生效應，提高開關性能和縮短故障響應時間。安森美提供豐富多樣的 SiC 模塊產品組合，模塊額定電壓為 650V、1200V 和 1700V，并且其中一些模塊帶有底板，而另一些則無底板，以便滿足不同的應用需求和效率需求。

圖 2：適用于固態斷路器的 SiC B2B 模塊- 480VAC -200A

圖 3：適用于固態斷路器應用的安森美模塊

SiC 技術和固態斷路器將共同發展機械斷路器具有低功率損耗和更高的功率密度，目前價格也低于固態斷路器。另外，機械斷路器容易因為反復使用而發生磨損，并且復位或更換會產生昂貴的人工維護成本。隨著電動汽車的日益普及，市場對斷路器和 SiC 器件的需求將持續增長，因此這種寬禁帶技術的成本競爭力會日益增強，并且其對固態斷路器方案的吸引力也會不斷增加。隨著 SiC 工藝技術的不斷進步和獨立 SiC MOSFET 的電阻進一步降低，固態斷路器的功率損耗最終會達到與機械斷路器相媲美的水平，那時功率損耗將不再是個問題。基于 SiC 器件的固態斷路器具備開關速度快、無電弧以及零維護等優勢，能夠帶來顯著的成本節約，因此必將成為市場廣泛采用的主流選擇。

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