SiC FET在固態(tài)斷路器應(yīng)用中的沖擊電流處理能力

固態(tài)斷路器(SSCB)相比于傳統(tǒng)的電機(jī)械斷路器具有多種優(yōu)勢(shì)?；趯拵?WBG)器件如碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)的SSCB可以在許多應(yīng)用中擴(kuò)大其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

SSCB的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的電機(jī)械斷路器依靠電磁作用進(jìn)行短路檢測(cè)和中斷，同時(shí)利用雙金屬作用實(shí)現(xiàn)過(guò)載電流保護(hù)。電磁效應(yīng)依賴于線圈和接點(diǎn)，涉及多個(gè)運(yùn)動(dòng)部件。故障限制響應(yīng)時(shí)間通常在幾毫秒左右，具體取決于額定值和使用的技術(shù)。而SSCB的響應(yīng)時(shí)間通常在微秒級(jí)別或更低，這得益于半導(dǎo)體功率器件的快速關(guān)斷響應(yīng)以及低電壓的感測(cè)與控制信號(hào)。

SSCB所允許的“通過(guò)”能量，即在過(guò)載發(fā)生后保護(hù)裝置關(guān)斷前送到負(fù)載的能量，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)斷路器。由于響應(yīng)時(shí)間更快，維護(hù)人員遭遇電弧閃光的風(fēng)險(xiǎn)也大大降低。電機(jī)械保險(xiǎn)絲容易在接點(diǎn)之間發(fā)生電弧。雖然可以通過(guò)間隙、磁場(chǎng)偏置或壓縮空氣等方案來(lái)限制這種情況，但這些附加裝置會(huì)增加保險(xiǎn)絲的體積和重量，使其在電動(dòng)車等對(duì)這些因素有嚴(yán)格要求的應(yīng)用中不夠?qū)嵱谩Ｓ捎谌鄙龠\(yùn)動(dòng)部件和物理接點(diǎn)，SSCB的可靠性通常比電機(jī)械保險(xiǎn)絲更好，這些接點(diǎn)可能因重復(fù)的過(guò)載或短路而磨損失效。

SSCB允許對(duì)許多保護(hù)特性的關(guān)鍵方面進(jìn)行全面控制。例如，可以配置的時(shí)間-電流特性(TCC)可以更有效地區(qū)分瞬態(tài)事件，如固體短路或長(zhǎng)時(shí)間的過(guò)載條件，從而避免不必要的中斷。

全電動(dòng)船舶和更電氣化的飛機(jī)(MEA)是旨在減少對(duì)化石燃料依賴的交通趨勢(shì)的例子。在這些以及許多其他應(yīng)用中，直流電力分配提供了許多優(yōu)勢(shì)，如提高效率和降低成本。由于高電流上升率和故障電流，緩慢的電機(jī)械保險(xiǎn)絲在這些應(yīng)用中處于顯著劣勢(shì)。此外，直流電網(wǎng)缺乏零穿越條件，需要熄滅電弧以將故障電流降至零。SSCB可以成為用于遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)電氣分配特性的系統(tǒng)的一部分，而機(jī)械斷路器由于響應(yīng)時(shí)間慢，難以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

SSCB的關(guān)鍵要求

SSCB的一些關(guān)鍵要求包括：

低且穩(wěn)定的導(dǎo)通狀態(tài)電阻(RDS(on))：正常導(dǎo)通狀態(tài)下的高導(dǎo)電損耗可能顯著影響效率和冷卻要求。SSCB的RDS(on)通常高于電機(jī)械斷路器。降低這一指標(biāo)的方法包括并聯(lián)多個(gè)器件、限制過(guò)電壓以便使用更高效的低電壓額定器件，以及利用在這一重要標(biāo)準(zhǔn)上具有內(nèi)在優(yōu)勢(shì)的WBG器件。器件的并聯(lián)容易性在這里變得至關(guān)重要?；诠璧?a target="_blank">可控硅器件具有強(qiáng)負(fù)溫度系數(shù)，這可能使電流共享變得具有挑戰(zhàn)性。

低關(guān)斷狀態(tài)漏電流：這在過(guò)電壓和高溫期間尤其重要。這是電機(jī)械斷路器具有優(yōu)勢(shì)的另一個(gè)參數(shù)。限制過(guò)電壓和選擇合適的器件可以作為解決方案。

沖擊電流能力：故障電流可能高出額定導(dǎo)電電流一個(gè)數(shù)量級(jí)。功率器件需要在一個(gè)合理的時(shí)間內(nèi)承受這一沖擊，以便過(guò)電壓器件和控制電路將器件關(guān)斷。需要一個(gè)寬的I2t范圍來(lái)滿足應(yīng)用要求。

優(yōu)良的熱性能：在沖擊過(guò)程中，結(jié)溫的升高必須低于器件的最高規(guī)格范圍，這可以設(shè)定器件在特定時(shí)間的最大沖擊電流額定值。許多應(yīng)用受到空間限制，并且外部冷卻選項(xiàng)有限。低熱阻和寬的最大工作溫度增加了SSCB的安全工作區(qū)域(SOA)。如雙面冷卻等封裝創(chuàng)新可能非常重要，而SiC在高溫性能方面的內(nèi)在優(yōu)勢(shì)也可能是其選擇的一個(gè)重要因素。

成本：基于硅的SSCB，如IGBT和IGCT，能夠提供具有成本效益的解決方案，并且在高電流應(yīng)用中占主導(dǎo)地位。WBG器件的功率密度和性能優(yōu)勢(shì)使其在某些應(yīng)用中能夠有效地與硅競(jìng)爭(zhēng)，尤其是在預(yù)計(jì)未來(lái)幾年SiC和GaN的芯片成本下降的情況下。

SiC FET的沖擊電流性能

Qorvo制造級(jí)聯(lián)的SiC FET復(fù)合器件。一個(gè)正常導(dǎo)通的高電壓SiC JFET與一個(gè)低電壓硅MOSFET級(jí)聯(lián)，硅MOSFET提供柵極控制。通過(guò)這種方法，特定導(dǎo)通電阻(RDS(on) × A，晶片面積)得到了顯著改善，1200V額定器件的RDS(on)低至0.135 Ω-mm2。通過(guò)訪問(wèn)JFET柵極，改進(jìn)了這些器件的開(kāi)關(guān)上升率控制。

這些器件的沖擊電流行為通過(guò)圖1所示的測(cè)試設(shè)置進(jìn)行評(píng)估。級(jí)聯(lián)的JFET DUT由六個(gè)1200V、8mΩ的器件并聯(lián)堆疊在SOT-227模塊封裝中。JFET柵極的可接近性允許降低關(guān)斷速度，限制漏極電壓(VDS)的過(guò)沖。該堆疊的名義連續(xù)漏極電流(ID)在100°C的外殼溫度(TC)和150°C的結(jié)溫(Tj)下為410A。在Tj = 25°C時(shí)測(cè)得的RDS(on)為1.95 mΩ，在Tj = 150°C時(shí)為3.88 mΩ。

如圖1所示，金屬氧化物壓敏電阻(MOV)和RC緩沖器的組合提供電壓鉗位，減少dV/dt振蕩，并吸收電路中寄生電感存儲(chǔ)的能量。負(fù)載為銅線。通過(guò)在DUT關(guān)閉狀態(tài)下，最初以特定的漏極電壓(例如200V)對(duì)母線電容器進(jìn)行充電，從而產(chǎn)生沖擊。DUT然后在特定時(shí)間內(nèi)開(kāi)啟，在此期間電容器通過(guò)負(fù)載和DUT放電，產(chǎn)生沖擊電流。

選擇15Ω的JFET柵極電阻以限制VDS過(guò)沖。整體關(guān)斷速度由MOV和RC緩沖器限制，而不是由SiC器件的關(guān)斷限制。選擇MOV的鉗位電壓是基于權(quán)衡：高鉗位電壓可以更快地降低電流，但會(huì)對(duì)功率器件造成更大壓力，而較低的鉗位電壓需要更長(zhǎng)時(shí)間，從而在MOV中產(chǎn)生更多能量耗散。這里使用的V25S320P MOV的鉗位電壓額定值為825V。

圖2顯示了500μs時(shí)間持續(xù)的測(cè)量沖擊波形。器件能夠承受2800A的沖擊(幾乎是名義ID的7倍)，但在3200A的沖擊下失效。在較高電流下懷疑發(fā)生了熱失控。對(duì)于240μs脈沖時(shí)間的測(cè)試顯示，器件能夠通過(guò)3450A的峰值沖擊，3200A的沖擊下失效。

創(chuàng)建了一個(gè)測(cè)試裝置，以測(cè)量SOT-227模塊中器件的熱阻和瞬態(tài)熱阻抗。使用這些數(shù)據(jù)和DUT的導(dǎo)通狀態(tài)特性，構(gòu)建了一個(gè)四階段RC熱模型。該模型與測(cè)得的熱阻抗具有良好的吻合?；谠撃Ｐ偷腜Spice模擬可用于預(yù)測(cè)DUT在特定沖擊事件下的結(jié)溫，從而定義器件在最大Tj為150°C時(shí)的SOA。在此，使用了最壞情況下的條件，RDS(on)和熱阻比典型值高出30%。這些TCC曲線如圖3所示。

為了驗(yàn)證器件能否在Tj為150°C時(shí)關(guān)斷預(yù)測(cè)的最大2360A沖擊，進(jìn)行了沖擊測(cè)試，器件從該溫度開(kāi)始。成功關(guān)斷了在約65μs脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)達(dá)到的3000A峰值沖擊。