如何利用碳化硅构建下一代固态断路器 现在，碳化硅 (SiC) 电动汽车中的设备 (EV) 和太阳能光伏 (PV) 应用程序带来的性能优势得到了广泛的认可。不过，SiC 包括电路保护领域在内的材料优势也可用于其他应用。本文将回顾该领域的发展，比较机械保护和固态断路器，使用不同的半导体设备 (SSCB) 的优缺点。最终，本文还将讨论为什么？ SiC 人们越来越青睐固态断路器。需要妥善保护电力基础设施、设备输配电系统和敏感设备，防止因长期过载和瞬态短路而损坏。随着电力系统和电动汽车使用的电压越来越高，最大故障电流可能比以往任何时候都高。为了保护这些高电流故障，我们需要超快速交流和直流断路器。在过去，机械断路器一直是这类应用的主要选择，但随着工作要求的日益严格，固态断路器越来越受欢迎。与机械断路器相比，固态断路器具有稳定性和可靠性：机械断路器含有活动部件，因此相对容易损坏。这意味着它们容易因运动而损坏或自动断开，在使用过程中，每次复位都会磨损。相比之下，固态断路器不包括活动部件，因此更加稳定可靠，不易发生意外损坏，因此可以重复数千次断开/关闭。·温度灵活性：机械断路器的工作温度取决于其制造材料，因此对工作温度有一定的限制。相比之下，固态断路器的工作温度更高，可以调节，因此可以更灵活地适应不同的工作环境。·远程配置：机械断路器跳闸后需要手动复位，这可能非常耗时和昂贵，特别是在多个安装点进行大规模部署时，也可能存在安全风险。而且固态断路器可以通过有线或无线连接进行远程复位。·开关速度更快，不会产生电弧：机械断路器在开关过程中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，可保护电路不受这些感应电压峰值和电容浪涌电流的影响，开关速度要快得多，故障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，而机械断路器具有固定的电流额定值。·与机械断路器相比，固态断路器重量更轻，体积更小。虽然固态断路器与机械断路器相比具有许多优点，但它们也有一些缺点，包括限制电压/电流额定值、更高的导流损耗和更昂贵的价格。固态断路器通常基于可控硅整流器进行交流应用 (TRIAC)，而对直流系统而言，则基于标准平面 MOSFET。TRIAC 或 MOSFET 光隔离驱动器用作控制元件，负责开关功能的实现。然而，基于高输出电流 MOSFET 高电流固态断路器需要散热器，这意味着它们不能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) 固态断路器也需要散热器，因为当电流超过几十个安培时，饱和电压会导致过多的功率损失。例如，当电流为时 500 安培时，IGBT 上的 2V 压降会产生高达 1000W 功率损失。对同等功率水平，MOSFET 需要具有约 4 m? 导通电阻。随着电动汽车中设备的电压额定值朝向 目前还没有单个设备能达到这个电阻水平的800V(甚至更高)发展。虽然这个数字可以通过并联多个设备来实现，但这将显著增加方案的尺寸和成本，特别是当需要处理双向电流时。使用 SiC 与硅芯片相比，下一代固态断路器的功率模块，SiC 在相同的额定电压和导电阻下，芯片的尺寸可以缩小10倍。另外，与硅器件相比，SiC 至少设备的开关速度很快 100 而且它可以在高达两倍以上的峰值温度下工作。同时，SiC 它具有优异的导热性，因此在高电流水平下具有更好的稳定性。安森美利用 SiC 开发了一系列这些特征 EliteSiC 功率模块，它 1200V 该装置的导通电阻低至 1.7m?。这些模块在单个包装中集成了两到六个 SiC MOSFET。烧结芯片技术(在一个封装中烧结两个独立芯片)甚至可以在高功率水平上提供可靠的产品性能。由于快速开关行为和高热导率，该设备可以快速、安全地“跳闸”（断开电路），防止电流流动，直到恢复正常工作条件。这样的模块越来越有可能显示多个模块 SiC MOSFET 为了满足实际断路器应用的需要，将设备集成到单个封装中，实现低导通电阻和小尺寸。此外，安森美还提供电压范围 650V 到 1700V 的 EliteSiC MOSFET 和功率模块，所以这些设备也可以用来制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 SiC 经过综合可靠性测试，供应链可以提供几乎零缺陷的产品，可以满足固态断路器制造商的需求。图 1：安森美完全端到端碳化硅 (SiC) 供应链下图显示了固态断路器的模块化实现模式，并联连接多个并联配置 1200V SiC 芯片和多个开关实现了极低的开关 rdson 并优化散热效果。这些完全集成的模块具有优化的引脚位置和布局，有助于降低寄生效应，提高开关性能，缩短故障响应时间。安森美提供丰富多样的服务 SiC 模块产品组合，模块额定电压为 650V、1200V 和 1700V，有的模块有底板，有的没有底板，以满足不同的应用和效率要求。图 2：适用于固态断路器 SiC B2B 模块- 480VAC -200A图 3：安森美模块SiC适用于固态断路器 该技术和固态断路器将共同开发低功率损耗和高功率密度的机械断路器，目前的价格也低于固态断路器。此外，由于反复使用，机械断路器容易磨损，复位或更换会产生昂贵的人工维护成本。伴随着电动汽车的日益普及，断路器和断路器的市场 SiC 对设备的需求将继续增长，因此这种宽禁带技术的成本竞争力将日益增强，其对固态断路器方案的吸引力也将继续增加。随着 SiC 工艺技术的不断进步和独立性 SiC MOSFET 随着电阻的进一步降低，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，因此功率损耗将不再是一个问题。基于 SiC 该装置的固态断路器具有开关速度快、无电弧、零维护等优点，能带来显著的成本节约，因此必将成为市场上广泛使用的主流选择。更深入的半导体行业观察和报告，请关注芯八哥微信号：Chip-Insights。