【導讀】得益于固態電路保護，直流母線電壓為400V或以上的電氣系統（由單相或三相電網電源或儲能系統（ESS）供電）可提升自身的可靠性和彈性。在設計高電壓固態電池斷開開關時，需要考慮幾項基本的設計決策。其中關鍵因素包括半導體技術、器件類型、熱封裝、器件耐用性以及路中斷期間的感應能量管理。在本文中，我們將討論在選擇功率半導體技術和定義高電壓、高電流電池斷開開關的半導體封裝時的一些設計注意事項，以及表征系統的寄生電感和過流保護限值的重要性。
得益于固態電路保護，直流母線電壓為400V或以上的電氣系統（由單相或三相電網電源或儲能系統（ESS）供電）可提升自身的可靠性和彈性。在設計高電壓固態電池斷開開關時，需要考慮幾項基本的設計決策。其中關鍵因素包括半導體技術、器件類型、熱封裝、器件耐用性以及路中斷期間的感應能量管理。在本文中，我們將討論在選擇功率半導體技術和定義高電壓、高電流電池斷開開關的半導體封裝時的一些設計注意事項，以及表征系統的寄生電感和過流保護限值的重要性。
寬帶隙半導體技術的優勢
在選擇最佳半導體材料時，應考慮多項特性。目標是打造兼具最小導通電阻、最小關斷泄漏電流、高電壓阻斷能力和高功率能力的開關。圖1顯示了硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）三種半導體材料的特性。SiC和GaN的電擊穿場大約是硅的十倍。這使得設計漂移區厚度為等效硅器件十分之一的器件成為可能，因為漂移區厚度與電擊穿場成反比。此外，漂移區的電阻與電擊穿場的立方成反比。這使得漂移區電阻降低了近1000倍。在固態開關應用中，所有損耗都是導通損耗，高電擊穿場是一項顯著的優勢。此外，電阻降低還意味著無需擔心動態閂鎖問題，否則較高的dV/dt瞬變可能會分別觸發硅功率MOSFET和IGBT中的寄生NPN晶體管或晶閘管。
圖1、Si、SiC和GaN三種材料的特性
碳化硅的熱導率是Si和GaN的三倍，可顯著提高芯片散熱能力，使其運行溫度更低并簡化熱設計。或者，對于等效目標結溫來說，這意味著支持更高的工作電流。更高的熱導率搭配高電擊穿場可以降低導通電阻，從而進一步簡化熱設計。
碳化硅是一種寬帶隙（WBG）半導體材料，其能隙幾乎是硅的三倍，因此能夠在更高的溫度下工作。半導體在高溫環境下將無法發揮半導體的功能。更寬的能隙使得碳化硅能夠在高出硅幾百攝氏度的溫度下正常工作，因為其自由載流子的濃度較低。但是，基于當今技術的其他因素（如封裝和柵極氧化層泄漏）將器件的最大連續結溫限制在175 °C。WBG技術的另一項優勢是其關斷泄漏電流較低。
考慮到以上特性，碳化硅是該應用的最佳半導體材料。
以下器件類型之間的差異：IGBT、MOSFET和JFET
晶體管的類型是下一個關鍵因素。大多數情況下，導通損耗是需要面臨的最大設計挑戰。為了滿足系統的熱要求，應最大限度地減少導通損耗。一些系統采用液體冷卻，而其他系統可能使用強制風冷或依靠自然對流。除了大限度地減少導通損耗之外，還必須將壓降保持在最低水平，以便最大限度地提高所有工作點（包括輕載條件）的效率。這對于電池供電系統尤為重要。許多系統（包括直流系統）中還有一個重要因素，即電流都是雙向的。通常需要兼具低導通損耗、低壓降和反向導通能力的晶體管。可以考慮的晶體管通常包括IGBT、MOSFET和JFET。
盡管IGBT在峰值負載電流下的導通損耗與MOSFET相當，但一旦負載電流減小，基于IGBT的解決方案就會變得效率低下。這是因為壓降由兩部分組成：一部分壓降接近恒定，與集電極電流無關；另一部分壓降與集電極電流成正比。使用MOSFET時，壓降與源電流成正比。它沒有IGBT的開銷，這使得所有工作點（包括輕載條件）都能實現高效率。MOSFET允許第一象限和第三象限的通道導通，這意味著電流可以正向和反向流過器件。MOSFET在第三象限工作有一個額外的好處，即其導通電阻通常比在第一象限略低。而IGBT僅在第一象限導通電流，并且需要通過反并聯二極管來實現反向電流導通。JFET是一種舊技術，但目前正在復興，它既可以正向導通也可以反向導通，并且與MOSFET一樣，其壓降與漏極電流成正比。JFET與MOSFET的不同之處在于它是一種耗盡型器件。也就是說，JFET屬于常開器件，需要通過柵極偏置來抑制電流的流動。這給設計人員在考慮系統故障條件時帶來了挑戰。作為一種變通方法，可以使用包括串聯低電壓硅MOSFET的共源共柵配置來實現常閉器件。串聯硅器件的加入增加了復雜度，進而削弱了JFET在高電流應用中的一些優勢。SiC MOSFET屬于常閉器件，兼具許多系統中所需的低電阻和可控性。
熱封裝
SiC功率模塊可實現高級別的系統優化，這很難通過并聯分立MOSFET來實現。Microchip的mSiC?模塊具有多種配置以及電壓和電流額定值。其中包括共源配置，該配置以反串聯的方式連接兩個SiC MOSFET，從而實現雙向電壓和電流阻斷。每個MOSFET均由多個芯片并聯組成，以實現額定電流和低導通電阻。對于單向電池斷開開關，兩個MOSFET在功率模塊外部并聯連接。
為了使芯片保持較低的運行溫度，需要較低的導通電阻和熱阻。模塊中使用的材料是決定結至外殼熱阻及其可靠性的基本要素。具體來說，芯片粘接、基板和底板材料特性是形成模塊熱阻的主要因素。選擇高熱導率的材料有助于最大限度地降低熱阻和結溫。除了熱性能之外，選擇熱膨脹系數（CTE）緊密匹配的材料可以降低材料界面和內部的熱應力，從而延長模塊的使用壽命。表1匯總了這些熱特性。氮化鋁（AlN）基板和銅（Cu）底板是mSiC功率模塊的標配。氮化硅（Si3N4）基板和鋁碳化硅（AlSiC）底板的可靠性更高。圖2給出了采用通過DO-160認證的標準SP3F和SP6C封裝以及高可靠性無底板BL1和BL3封裝的共源功率模塊。
表1. 芯片、基板和底板的熱特性
圖2. 采用共源配置的Microchip mSiC?模塊
器件耐用性和系統電感
除了模塊的熱性能和長期可靠性之外，電路中斷器件的另一個設計注意事項是高感應能量。繼電器和接觸器的循環次數是有限的。它們通常指定無負載機械開關循環，極少指定電氣負載開關循環。系統中的電感會導致觸點間產生電弧，進而在電流斷開時導致性能下降。因此，電氣循環額定值的工作條件被明確定義，并對其壽命有很大影響。即便如此，在使用接觸器或繼電器的系統中仍然需要連接上游熔絲，因為在較高的短路電流下，觸點可能會熔接關斷。固態電池斷開開關不會受到這種性能下降的影響，因此有助于打造可靠性更高的系統。盡管如此，對于管理中斷高電流時存在的感應能量來說，了解系統的寄生和負載電感與電容也是至關重要的。
感應能量與電感以及中斷時系統中電流的平方成正比。開關輸出端子發生短路會導致電流快速增加，其上升速率等于電池電壓與源電感之比。舉例來說，800V母線電壓和5 μH的源電感會導致電流以每微秒160A的速度增加。5 μs的檢測和響應時間將導致電路中產生800A的額外電流。由于不建議在雪崩模式下操作SiC功率模塊，因此需要使用緩沖電路或鉗位電路來吸收這種感應能量以保護模塊。但是，當經過適當設計以滿足爬電距離和間隙要求時，緩沖電路引入的寄生效應會進一步限制其有效性。因此，開關應足夠緩慢地關斷，以限制模塊內部電感引起電壓過應力和電流突然下降。采用低電感設計的模塊有助于進一步最大限度地降低該電壓應力。
在硅功率器件中，高電流的快速中斷會帶來觸發寄生NPN或晶閘管的風險，進而導致無法控制的閂鎖并最終引發故障。在SiC器件上，非常快速的關斷可能會導致每個芯片在關斷過程中發生低能量雪崩擊穿，直到緩沖電路或鉗位電路吸收掉高能量為止。Microchip的mSiC MOSFET經過專門設計和測試，具有非鉗位電感開關（UIS）耐受性，可在緩沖電路或鉗位電路的性能開始下降時提供額外的安全裕度。圖3給出了與市場上其他SiC器件的單觸發和重復UIS性能對比。
圖3，單觸發（左）和重復（右）雪崩能量性能
盡管應了解器件級抗短路能力，并且IGBT的器件級抗短路能力確實比MOSFET更出色，但在實際系統中會面臨不同的應力條件。由于系統電感固有的限流特性，模塊不太可能達到其短路電流額定值。限制因素為緩沖電路或鉗位電路設計。為了設計出外型小巧的高性價比緩沖電路，允許的系統級峰值短路電流將被限制在遠低于模塊短路電流額定值的范圍內。例如，在由9個芯片并聯組成并設計用于防止短路電流超過1350A的500A電池斷開開關中，每個芯片導通150安培的電流（假定電流均勻分布）。這比器件級短路測試中的電流要低得多，器件級短路測試期間的電流會超過幾百安培。電壓鉗位器件的優化是穩健型固態電池斷開開關設計的關鍵環節。
其他設計注意事項
除了功率器件之外，還有一些與控制電子器件相關的設計注意事項，其中包括電流檢測技術、過流檢測和保護以及功能安全。對于低寄生電感系統的設計來說，是否使用電流檢測電阻或磁性技術進行電流檢測的決策非常重要，因為快速的響應時間至關重要。是否使用硬件、軟件或兩者結合進行過流檢測也是一項重要的決策，尤其是在需要滿足功能安全要求時。
以上討論了關于固態電池斷開開關中高電壓功率器件的選擇和設計的一些關鍵方面。與傳統機械斷開開關相比，固態斷開開關之所以具有系統級優勢，關鍵在于碳化硅和功率半導體封裝的優勢。得益于碳化硅技術，器件現在能夠兼具較低的導通電阻和熱阻，從而實現許多系統中所需的低導通損耗，同時還可以采用保證高可靠性的材料。
(來源：Microchip Technology Inc.，作者：碳化硅業務部資深顧問級應用工程師Ehab Tarmoom)
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