【導(dǎo)讀】近年來，人們對固態(tài)斷路器和固態(tài)功率控制器的興趣越來越濃厚。鑒于SiC JFET在高額定電壓下具有低開態(tài)電阻而且它在需要時進(jìn)行限流的能力毫不遜色，它們一直被視為此應(yīng)用的理想器件。我們調(diào)查了常關(guān)型SiC FET在雙柵極結(jié)構(gòu)中的使用情況，以簡化大電流直流斷路器和交流斷路器的開發(fā)。
近年來，人們對固態(tài)斷路器和固態(tài)功率控制器的興趣越來越濃厚。鑒于SiC JFET在高額定電壓下具有低開態(tài)電阻而且它在需要時進(jìn)行限流的能力毫不遜色，它們一直被視為此應(yīng)用的理想器件。我們調(diào)查了常關(guān)型SiC FET在雙柵極結(jié)構(gòu)中的使用情況，以簡化大電流直流斷路器和交流斷路器的開發(fā)。
有許多研究對固態(tài)斷路器的優(yōu)勢進(jìn)行了探索，它們可以大致分為混合斷路器和沒有機(jī)械部件的完全固態(tài)斷路器。本文重點(diǎn)介紹固態(tài)斷路器。表1展現(xiàn)了在與現(xiàn)有機(jī)電斷路器和繼電器比較時，固態(tài)斷路器的優(yōu)勢和劣勢概覽。固態(tài)斷路器的已知重要優(yōu)勢是能夠在1納秒/微秒內(nèi)中斷電流，而機(jī)電斷路器需要的時間為毫秒級。在中斷內(nèi)阻抗非常低的電力來源時，例如電動車電池，這一優(yōu)勢會變得越來越寶貴。它還可以用于中斷直流電路，而無需周全的電弧防止措施。沒有移動部件和接觸降級的特點(diǎn)使其能在進(jìn)行現(xiàn)場更換前執(zhí)行更多周期的故障防護(hù)。然而，固態(tài)斷路器的電阻比機(jī)械接觸高，從而使其成本與電流比要高得多。對于基本單極器件，由于半導(dǎo)體的額定電壓變高，在相同面積的所用材料下，電阻會隨著V2或V2.5一起增加。由于斷路器電壓級的升高，這會直接影響成本。
表1：固態(tài)斷路器與機(jī)電斷路器的特征比較
為什么用SiC進(jìn)行電路保護(hù)
固態(tài)保護(hù)電路的主要功能是在開態(tài)下以盡可能小的電阻損耗傳導(dǎo)電流，并能夠在系統(tǒng)控制器建議中斷電流時中斷電流。在不到600 V的低壓下，硅MOSFET的電阻低，是打造斷路器、繼電器和電子保險(xiǎn)絲的成本經(jīng)濟(jì)的選擇，而且已經(jīng)應(yīng)用于48V電池系統(tǒng)。一旦所需的電壓超過600 V，即使超結(jié)（SJ）MOSFET等先進(jìn)的硅技術(shù)的電阻也會過高。IGBT雖然能夠提供非常低的微分阻抗，但是在其導(dǎo)電特征中有拐點(diǎn)，從而使導(dǎo)電過程中的功率損耗過高，這反過來導(dǎo)致需要去除更多熱量。在電壓超過3000 V時，則使用IGCT實(shí)施斷路器。
圖1顯示的是硅SJ MOSFET、GaN FET、SiC MOSFET和基于SiC-JFET的SiC FET的具體導(dǎo)通電阻。應(yīng)該很明顯的一個事實(shí)是，在從600至2000 V的大電壓范圍內(nèi)，SiC FET能在單位面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)極低的電阻。這允許人們開發(fā)出導(dǎo)電損耗極低、極為小巧和經(jīng)濟(jì)高效的固態(tài)斷路器。在散熱受限的應(yīng)用中，它們會非常有用。所有SiC器件也都能夠承受很高的瞬時升溫（例如在短路事件中），這一特點(diǎn)在處理四倍于硅器件的單位面積能量時十分有用。這是因?yàn)閷拵稌?dǎo)致需要高得多的溫度才能通過熱量生產(chǎn)足夠的載波子，從而降低開關(guān)的電壓閉鎖能力。4H-SiC的導(dǎo)熱系數(shù)比GaN或基于Si的器件高三倍，允許高效散熱，從而允許在更高的電流密度下運(yùn)行。
圖1：比較多種半導(dǎo)體的具體導(dǎo)通電阻與電壓
基于SiC的電路保護(hù)的主要應(yīng)用
鑒于固態(tài)電路保護(hù)的成本普遍較高，它很可能用于速度、可控性、可靠性和重量輕這幾個特征比成本溢價(jià)要重要的情況。這是典型的新技術(shù)，而且由于總是會隨著技術(shù)（尤其是SiC）的成熟和擴(kuò)展出現(xiàn)的成本降低，它的應(yīng)用領(lǐng)域會更廣。
鑒于直流電力來源（太陽能、電動車電池、能量存儲等）和直流負(fù)載的迅速增長，直流斷路器領(lǐng)域正在考察需要使用750 V – 1200 V FET的基于SiC的斷路器。在電動車、船、飛機(jī)應(yīng)用中，需要非常低的導(dǎo)電損耗，且電弧閃光帶來了安全隱患，因此固態(tài)斷路器是一個好解決方案。固態(tài)解決方案的能力是快速中斷短路事件，不讓電流上升到5 kA或10 kA以上，這一能力十分寶貴。在保護(hù)層級中，可以在主斷路器和下游斷路器之間實(shí)現(xiàn)更快的協(xié)調(diào)。
大功率交流斷路器也能從固態(tài)解決方案的使用中獲益，這主要是因?yàn)楝F(xiàn)在可以使用與機(jī)械接觸相媲美的1200 V SiC FET來實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通電阻，且整體解決方案可以大幅簡化現(xiàn)場維護(hù)。固態(tài)開關(guān)直接帶來的快速電流中斷和浪涌電流限制能改進(jìn)功能，從而帶來更多價(jià)值。
家居空間中的交流斷路器可以利用SiC器件無與倫比的低導(dǎo)電損耗，以便在除了傳統(tǒng)負(fù)載外的使用太陽能電池板、能量存儲和電動車的新興環(huán)境中實(shí)現(xiàn)智能解決方案來管理能量。盡量降低生成的熱量可實(shí)現(xiàn)具有成本效益的斷路器面板，而不需要任何風(fēng)扇來冷卻。
除了固態(tài)斷路器外，這些器件還用于構(gòu)造固態(tài)功率控制器，它可在船和飛機(jī)上的多個發(fā)電來源與負(fù)載之間調(diào)節(jié)受管理的功率流。像故障電流一樣，浪涌電流也能得到有效控控制。
固態(tài)斷路器在鐵路牽引中也能發(fā)揮作用，能促進(jìn)更好地管理接觸網(wǎng)與系統(tǒng)功率電子器件之間的更快的故障響應(yīng)。這可以幫助降低下游功率電子器件的體積、重量和成本。系統(tǒng)可靠性和壽命也能受益。
在一系列新興應(yīng)用中，SiC JFET被用作雙向限流開關(guān)、自供電斷路器和超共源共柵高壓斷路器。
在功能安全方面，對于即使失去柵極功率，晶體管保持開態(tài)也有好處的應(yīng)用，常開型SiC JFET是十分有用的器件。可考慮在高壓側(cè)使用常關(guān)型器件而在低壓側(cè)使用常開型JFET的全橋整流器。此橋仍然存在，作為到輸入側(cè)的常關(guān)器件，但是由于低壓側(cè)JFET可以在兩個都打開時讓輸出短接，它們可以在失去控制力時作為分流器。此種方法可以改進(jìn)電動機(jī)逆變器的設(shè)計(jì)，在該應(yīng)用中簡單地使用常開器件作為低壓側(cè)FET可以簡化功能安全性的管理。
在上述所有領(lǐng)域，固態(tài)解決方案監(jiān)視其運(yùn)行狀況的能力以及允許輕松按計(jì)劃維護(hù)而不是在故障后再維修的能力都是顯著優(yōu)勢，而事實(shí)表明雙柵極SiC FET提供了這方面的最佳選項(xiàng)。
JFET、SiC FET和雙柵極SiC FET結(jié)構(gòu)
圖2比較了SiC MOSFET和SiC JFET的基本結(jié)構(gòu)。圖1中表明了SiC JFET具有較低的單位面積導(dǎo)通電阻，這要?dú)w功于無低遷移溝道和無需保護(hù)柵氧化層免受強(qiáng)磁場影響，強(qiáng)磁場需要附加屏蔽，而這會增加導(dǎo)通電阻。然而，JFET是常開型器件，而為了打造常關(guān)型器件，可以將低壓硅MOSFET與SiC JFET以共源共柵結(jié)構(gòu)串聯(lián)，如圖2所示，這可使RDS(on)增加5 – 15%。這個串聯(lián)連接的器件可以配置為基本共源共柵結(jié)構(gòu)，也就是SiC FET，也可以配置為雙柵極器件，讓低壓MOSFET和SiC JFET的柵極都可以從外部接觸到。
圖2：JFET中的低溝道電阻導(dǎo)致的SiC MOSFET和SiC FET的電阻差異
圖3：基于SiC JFET的器件的結(jié)構(gòu)
在圖3中，左側(cè)的圖顯示的是與傳統(tǒng)MOSFET一樣采用TO-247封裝的SiC JFET。中間的圖顯示的是如何在高壓SiC JFET晶粒的源極墊上堆疊低壓MOSFET以形成SiC FET共源共柵結(jié)構(gòu)。在封裝內(nèi)，SiC JFET的柵極連接到低壓MOSFET的源極，構(gòu)成了完整的共源共柵連接。該器件可以像常關(guān)型MOSFET一樣使用。右側(cè)的圖顯示的是如何在相同的TO-247-4L封裝中讓MOSFET柵極和JFET柵極外露，便于用戶控制。這被稱為雙柵極FET（DG FET）。在圖內(nèi)示例中，1200 V JFET在VGS = 2 V時的電阻為7 m?，在VGS = 0 V時的電阻為8 m?。SiC FET中，在開態(tài)下，該JFET運(yùn)行時的VGS接近0 V。器件電阻為9 m?，其中1 m?是由低壓MOSFET帶來的。在右側(cè)的雙柵極器件中，在開態(tài)下，MOSFET打開，而且由于JFET可以在柵極電壓為2至2.5 V時運(yùn)行，其電阻會降至7 m?，而復(fù)合器件的電阻降至8 m?。這一開態(tài)行為如圖4所示。
圖4：VGS = 2 V與VGS = 0 V相比電阻較低，可用于1200 V雙柵極FET
圖5以溫度函數(shù)的形式顯示了1 mA下JFET的VGS的行為，相當(dāng)于感知了柵源SiC PN結(jié)的膝點(diǎn)電壓。在器件打開時，柵極驅(qū)動電路可以感知該電壓，進(jìn)而直接決定TJ。這種感知的TJ方法遠(yuǎn)比感知VDS(on) = (ID ? RDS(on))要準(zhǔn)確。各個器件的小電流膝點(diǎn)電壓差異不大，因?yàn)樗皇茉S多會導(dǎo)致RDS(on)變化的過程因素的影響。在將溫度感知二極管集成到SiC芯片時，它的速度和準(zhǔn)確性也都很出色。最后，在功率模塊中使用NTC感知溫度和/或感知控制集成電路的TJ無法與這種JFET VGS感知方法能實(shí)現(xiàn)的必要響應(yīng)速度和準(zhǔn)確性相比。
圖5：使用SiCJFET的開態(tài)VGS監(jiān)視其結(jié)溫
在已知運(yùn)行條件下的JFET TJ變化可以與檢查正常運(yùn)行條件下器件老化的基準(zhǔn)進(jìn)行對比。TJ過高可能標(biāo)志著使用壽命即將終止，讓您可以在發(fā)生嚴(yán)重故障前更換。因?yàn)門J響應(yīng)速度達(dá)到微秒級，十分準(zhǔn)確，所以還可以在瞬時事件中監(jiān)視芯片升溫，從而在開關(guān)損壞前關(guān)閉，例如在斷路器激活時。
在簡單的4端子DG FET中，低壓FET中的開態(tài)壓降會影響外部測量的VGS，因此必須進(jìn)行校正才能得到結(jié)溫。在引腳數(shù)較大的封裝中，可以直接使用JFET源極電勢來提高提取的TJ的準(zhǔn)確性。也可以將DG FET作為兩個分立器件，并帶一個RDS(on)超低的邏輯電平SMT分立FET，而這可讓您直接接觸JFET柵極和源極。
圖6：固態(tài)斷路器（功率元件）的電路結(jié)構(gòu)
固態(tài)斷路器
固態(tài)斷路器常用的電路實(shí)施如圖6所示。兩個開關(guān)以共源極結(jié)構(gòu)連接，提供雙向電壓閉鎖和電流。跨單個FET或一對FET使用RC緩沖電路（Rs，Cs）。瞬時電壓抑制器件（MOV，TVS）跨晶體管放置，用來吸收線路和負(fù)載電感在切斷電流時產(chǎn)生的電感能量。這種電路結(jié)構(gòu)可以用于許多應(yīng)用。例如，在電動出行應(yīng)用中，可使用此電路代替直流隔離開關(guān)。因?yàn)樗须姵啬芰慷冀?jīng)過固態(tài)開關(guān)，所以額定值為500 - 1500 A，1200 V的斷路器需要不到1m?的電阻。這需要將許多器件并聯(lián)，而使用RDS(on)超低的器件可簡化這一任務(wù)。
圖7顯示的實(shí)驗(yàn)裝置可用于證實(shí)并聯(lián)雙柵極SiC FET和中斷大故障電流的能力。三個TO247-4L器件并聯(lián)，每個都是9 m?，1200 V，整體開關(guān)電阻為3 m?。
圖7：固態(tài)斷路器測試電路示意圖，其中的開關(guān)由三個雙柵極SiCFET并聯(lián)構(gòu)成。SiC肖特基二極管D1-D4（UJ3D065200K3S）用作TVS（而不是MOV），以在關(guān)閉瞬間保護(hù)開關(guān)。
左-圖8：1200 V雙柵極器件中的RDS(on)與溫度的關(guān)系
右-圖9：1200 V雙柵極器件中的Vth與溫度的關(guān)系
圖8表明器件導(dǎo)通電阻具有正溫度系數(shù)，確保在器件打開時可以很好地分擔(dān)電流。這些器件與標(biāo)準(zhǔn)MOSFET一同運(yùn)行，如在本測試中的-5至15 V柵極驅(qū)動下，但是也可以使用0至12 V的單極柵極驅(qū)動。在每個MOSFET和JFET柵極處都設(shè)有一個5 ?電阻以協(xié)助開關(guān)期間的并聯(lián)運(yùn)行。這個5 ? JFET RG會讓開關(guān)關(guān)閉放緩。由于該電阻比JFET的固有柵極電阻大很多，它可幫助設(shè)置共源共柵的關(guān)閉速度，讓三個并聯(lián)器件的開關(guān)行為匹配。跨每個器件放置一個RC緩沖電路，因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)可以盡量減小緩沖電路和開關(guān)之間存在的雜散電感。JFET Vth隨溫度發(fā)生的輕微變化（圖9）對確保在開關(guān)瞬間實(shí)現(xiàn)出色的電流分擔(dān)也十分重要。
圖10表明的是三個并聯(lián)FET的測量得到的關(guān)閉行為。總線電壓為400 V，TVS夾鉗是使用200 A，650 V SiC肖特基二極管UJ3D065200K3S創(chuàng)建的，該二極管可以吸收用于刺激線路電感的大小為2 μH電感的雪崩能量。在1000 A下，該能量為1 J，因此可以將三個此類二極管并聯(lián)以提供足夠的裕度。柵極脈沖VGS用于讓電流在10 μs內(nèi)漸變至1150 A，然后關(guān)閉。由于2 μH電感器中持續(xù)存在電流，器件電壓上升的速度取決于開關(guān)速度（在此情況下，由JFET的RG決定），并且要使用緩沖電路。一旦器件達(dá)到由TVS二極管擊穿決定的鉗位電壓，電流就會傳輸至TVS二極管。如果采用這種布置，三個TO-247器件可以平穩(wěn)關(guān)閉1150 A電流，如圖10所示。請注意，SiC FET中的電流會在不到500 ns的時間內(nèi)中斷，然后傳輸至雪崩的TVS陣列。電流返回至零的5 μs持續(xù)時間是由峰值電流決定的，而下降的斜率則由BV(TVS)/L1決定。VDS波形中的短暫電壓峰值是開關(guān)關(guān)閉時相對較快的di/dt以及器件和TVS二極管之間的雜散電感導(dǎo)致的。這可以通過降低關(guān)閉速度和/或調(diào)整RC緩沖電路來進(jìn)一步緩和。
圖10：在圖7所示的測試電路中，三個并聯(lián)1200 V雙柵極器件在1150 A下測量得到的關(guān)閉瞬態(tài)波形。TVS鉗位電壓約為900 V。
圖11將雙柵極器件適宜性研究擴(kuò)展到了SOT-227封裝中的2 m?，1200 V模塊內(nèi)，該模塊內(nèi)共有6個此類器件并聯(lián)。可以使用一個22 ?電阻降低共源共柵結(jié)構(gòu)的開關(guān)速度，且器件配有一個11 ?，20 nF的緩沖電路。為了方便進(jìn)行電流較大的測試，線路電感器降低至0.4 μH，并使用五個并聯(lián)的200 A，650 V二極管作為TVS。圖12顯示的是測試得到的波形，此時，模塊用于中斷1950 A的峰值電流。VDS波形中的電壓峰值可以通過使用22 ?電阻調(diào)整JFET關(guān)閉和使用較大的RC緩沖電路來消除。
圖11：固態(tài)斷路器測試電路示意圖，其中的開關(guān)是由SOT-227封裝中的雙柵極模塊與六個并聯(lián)的9 m?，1200 V器件構(gòu)成的。它與封裝寄生元件一起形成了2.2 m?，1200 V且額定值大于300 A的器件。
商業(yè)應(yīng)用
當(dāng)然，完整的固態(tài)斷路器實(shí)施會使用兩個此類開關(guān)并讓它們以共源極結(jié)構(gòu)相連。為了應(yīng)對較大的電流，人們正在開發(fā)使用更多并聯(lián)器件的模塊。雖然在這些示例中，在共源共柵形式下使用雙柵極器件是由標(biāo)準(zhǔn)硅MOSFET/IGBT柵極驅(qū)動器來驅(qū)動的，但是更為復(fù)雜的實(shí)施可以使用低壓MOSFET作為啟動開關(guān)直接驅(qū)動SiC JFET的柵極。這可以支持SIC JFET實(shí)現(xiàn)極低的導(dǎo)電損耗，還可以支持結(jié)溫感知能力。堆疊在JFET上的電流感知低壓MOSFET可以消除對昂貴的外部電流感知方式的需求。
SiC晶體管可以處理大量雪崩能量，最高可達(dá)給定面積的硅的4倍。然而，隨著線路電感和電流增加，吸收SiC器件中的所有雪崩應(yīng)力變得無法實(shí)現(xiàn)，從而導(dǎo)致需要使用并聯(lián)MOV器件。因此，固態(tài)斷路器解決方案的成本將取決于SiC開關(guān)和所用MOV的成本。MOV的鉗制特性使其電阻要高得多，因此峰值電壓會比在這些演示中使用SiC TVS二極管時要高得多。MOV的大小經(jīng)過調(diào)整可讓峰值電壓低于SiC器件的額定擊穿電壓，如果SiC組件的額定電壓降低，則此MOV必須更大。在本文的示例中，總線電壓位于400 – 600 V范圍內(nèi)，MOV讓峰值電壓保持在1200 V 以下以應(yīng)對最糟糕的關(guān)閉電流，從而允許使用1200 V的SiC器件。理論上，可以將峰值電壓控制在1500 – 1700 V的成本較低的MOV可能要求使用1700 V器件，而這會讓SiC解決方案的成本提高接近一倍。換言之，SiC的成本和MOV的成本與體積之間存在此消彼長的情況，這種逐漸變化伴隨著斷路器必須承受的最糟糕的能量。在某些應(yīng)用中，最終的體積和重量方面的考慮會限制斷路器的大小，導(dǎo)致需要額定電壓高且更昂貴的SiC斷路器。
圖12：在圖11所示的測試電路中，1200 V雙柵極模塊在1950 A下測得的關(guān)閉瞬態(tài)波形。TVS夾鉗電壓約為900 V。
隨著SiC器件采用量的提高，它的成本在迅速降低，市場預(yù)測SiC器件的情況時大部分目光都集中在電動車細(xì)分市場的可能增長上。預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)，產(chǎn)量驅(qū)動的效率會將SiC晶圓的成本降低一半。預(yù)測中的SiC JFET技術(shù)的提升將會穩(wěn)步降低RDSA，還將與產(chǎn)量帶來的效率一起將成本降到新低。圖13中顯示了這些因素以及預(yù)測的SiC收入增長（來源：IHS Markit）。當(dāng)前的大部分預(yù)測沒有計(jì)入大規(guī)模采用固態(tài)斷路器會帶來的影響，這大概是由于固態(tài)斷路器與機(jī)電斷路器的成本差異造成的。如果確實(shí)所有電池電量都要經(jīng)過固態(tài)斷路器，則僅電動車中采用的固態(tài)斷路器就會讓預(yù)測的市場規(guī)模翻倍。如果將這種邏輯推廣到第三節(jié)中討論的其他應(yīng)用領(lǐng)域，則即使生產(chǎn)和使用的直流電中只有一小部分經(jīng)過固態(tài)斷路器和控制器，市場潛力也會是圖13預(yù)想中的幾倍。
圖13：預(yù)測的SiC收入增長，SiC晶圓成本的演變和技術(shù)進(jìn)步（RDSA降低）。固態(tài)斷路器可能會在二十一世紀(jì)二十年代的后五年內(nèi)讓SiC市場翻倍。
結(jié)論
使用600 – 1200 V級半導(dǎo)體的固態(tài)斷路器可能正在接近其采用量的引爆點(diǎn)。鑒于SiC器件可以提供的低RDSA，它們格外適合這個電壓級，且事實(shí)表明，基于SiC JFET的解決方案在這方面表現(xiàn)出色。電動車和其他應(yīng)用領(lǐng)域的SiC整體市場的增長正在形成一個良性循環(huán)，促使成本降低。技術(shù)進(jìn)步正在迅速降低SiC FET的RDSA，而且這種趨勢還會在未來幾年內(nèi)繼續(xù)發(fā)展，使得RDSA再降低二分之一到三分之二。這些不斷自我強(qiáng)化的趨勢將推動固態(tài)斷路器的成本效益的提高以及后續(xù)采用。對斷路器的所有系統(tǒng)級優(yōu)勢的了解和探索固態(tài)、這些器件提供的有助于監(jiān)視降級情況的度量方法的能力，以及工業(yè)4.0現(xiàn)在顯現(xiàn)出來的趨勢都表明，固態(tài)電路保護(hù)領(lǐng)域即將發(fā)生重大變革。
（來源：UnitedSiC）
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