第二代SiC碳化硅MOSFET在固態斷路器SSCB的應用-

適用于固態斷路器SSCB的國產BASiC基本第二代碳化硅MOSFET-傾佳電子專業分銷

 

直流配電應用中用于固態斷路器的BASiC基本國產第二代SiC碳化硅MOSFET-傾佳電子專業分銷

 

BASiC基本第二代SiC碳化硅MOSFET兩大主要特色：

 

1.出類拔萃的可靠性：相對競品較為充足的設計余量來確保大規模制造時的器件可靠性。

BASiC基本第二代SiC碳化硅MOSFET 1200V系列擊穿電壓BV值實測在1700V左右，高于市面主流競品，擊穿電壓BV設計余量可以抵御碳化硅襯底外延材料及晶圓流片制程的擺動，能夠確保大批量制造時的器件可靠性，這是BASiC基本第二代SiC碳化硅MOSFET最關鍵的品質. 

2.可圈可點的器件性能：同規格較小的Crss帶來出色的開關性能。

BASiC基本第二代SiC碳化硅MOSFET反向傳輸電容Crss 在市面主流競品中是比較小的，帶來關斷損耗Eoff也是市面主流產品中非常出色的，優于部分海外競品，特別適用于LLC應用.

 

Ciss：輸入電容（Ciss＝Cgd＋Cgs） ⇒柵極-漏極和柵極-源極電容之和：它影響延遲時間；Ciss越大，延遲時間越長。BASiC基本第二代SiC碳化硅MOSFET 優于主流競品。

Crss：反向傳輸電容（Crss＝Cgd） ⇒柵極-漏極電容：Crss越小，漏極電流上升特性越好，這有利于MOSFET的損耗，在開關過程中對切換時間起決定作用，高速驅動需要低Crss。

Coss：輸出電容（Coss＝Cgd＋Cds）⇒柵極-漏極和漏極-源極電容之和：它影響關斷特性和輕載時的損耗。如果Coss較大，關斷dv／dt減小，這有利于噪聲。但輕載時的損耗增加。

基本B2M第二代碳化硅MOSFET器件主要特色：

• 比導通電阻降低40%左右

• Qg降低了60%左右

• 開關損耗降低了約30%

• 降低Coss參數，更適合軟開關

• 降低Crss，及提高Ciss/Crss比值,降低器件在串擾行為下誤導通風險

• 最大工作結溫175℃• HTRB、 HTGB+、 HTGB-可靠性按結溫Tj=175℃通過測試

• 優化柵氧工藝，提高可靠性

• 高可靠性鈍化工藝

• 優化終端環設計，降低高溫漏電流

• AEC-Q101

 

輸電和配電系統以及敏感設備需要針對長期過載和瞬態短路情況提供保護。隨著電氣系統和電動汽車使用越來越高的電壓，最大潛在故障電流比以往任何時候都高。針對這些大電流故障的保護需要超快的交流和直流斷路器。雖然機械斷路器歷來是該應用最受歡迎的選擇，但日益嚴格的操作要求使得 固態斷路器SSCB 更受歡迎。與機械方法相比，它們有幾個優點：

 

堅固性和可靠性：機械斷路器包含運動部件，這使得它們很脆弱。這意味著它們很容易因運動而損壞或意外絆倒，并且在其使用壽命期間每次重置時都會受到磨損。相比之下，由于 固態斷路器SSCB 不包含移動部件，因此更加堅固，并且不太可能遭受意外損壞，從而能夠重復使用數千次。

溫度靈活性：機械斷路器的工作溫度取決于其構造中使用的材料并限制工作溫度。固態斷路器SSCB 的工作溫度高于機械斷路器，且可設定。

遠程配置：一旦跳閘，人們必須手動重置機械斷路器，這既耗時又昂貴，特別是在跨多個安裝時，而且還可能產生安全隱患。固態斷路器SSCB 可以使用有線或無線連接遠程重置。

更快的切換且無電弧：當機械斷路器切換時，可能會發生電弧和電壓波動，足以損壞負載設備。在 固態斷路器SSCB 中使用軟啟動方法可以防止這些感應電壓尖峰和電容浪涌電流的影響，如果發生故障，開關速度要快得多，大約幾微秒。

靈活的額定電流：機械斷路器具有固定的額定電流，而 固態斷路器SSCB 的額定電流是可編程的。減小尺寸和成本：與機械斷路器相比，固態斷路器SSCB 減輕了重量，顯著減輕重量并占用更少的空間。

快速反應時間是直流系統的一項重要要求，這使得 固態斷路器SSCB 成為理想的選擇。結合 BASiC基本第二代SiC碳化硅MOSFET 技術的優勢，可以進一步提高 SSCB 響應時間及其效率（低傳導損耗），同時還可能提高其功率密度（低冷卻要求）。

全固態斷路器是指完全由功率半導體器件代替機械開關的斷路器，全固態斷路器又可分為半控型全固態斷路器和全控型固態斷路器，全固態斷路器通常包括固態開關電路、緩沖電路、檢測單元以及控制單元等部分。與硅功率半導體器件相比，SiC MOSFET碳化硅功率半導體器件具有較低的通態電阻，可以減少直流固態斷路器的通態損耗，減輕冷卻壓力。

相比其他類型斷路器，固態斷路器雖然切斷速度快，但是其成本較高高，價格昂貴，同時其同步控制以及電壓、電流均衡化問題也很突出，BASiC基本第二代SiC碳化硅MOSFET在可靠性提高、成本降低、速度提高、復雜性降低等為客戶提供價值，固態斷路器未來將向智能化和數字化的方向發展，如何降低成本、提高可靠性以及降低損耗等問題仍然是研的重點。

采用BASiC基本第二代SiC碳化硅MOSFET代理冷卻性好、低成本、低損耗、穩定性高的優勢。

 

機械斷路器具有較低的功率損耗和較高的功率密度，目前比固態斷路器SSCB 便宜。盡管如此，它們仍然容易因重復使用而磨損，并且需要與重置或更換相關的昂貴的手動維護。隨著電動汽車采用率的不斷提高，對斷路器和SiC碳化硅MOSFET器件的需求將繼續增長，從而使SiC碳化硅MOSFET的成本競爭力日益增強，并增加SiC碳化硅MOSFET在 SSCB 解決方案中使用的吸引力。隨著SiC碳化硅MOSFET工藝技術的進步，SiC碳化硅MOSFET的導通電阻進一步下降，最終達到與機械斷路器相當的水平，功率損耗將變得不再是問題。由基于SiC碳化硅MOSFET的器件構建的 SSCB 具有快速開關、無電弧以及通過零維護顯著節省成本等優點，將會加速替代升級現有的機械斷路器。

 

碳化硅 (SiC) MOSFET出色的材料特性使得能夠設計快速開關單極型器件，替代升級雙極型 IGBT  （絕緣柵雙極晶體管）開關。碳化硅 (SiC) MOSFET替代IGBT可以得到更高的效率、更高的開關頻率、更少的散熱和節省空間——這些好處反過來也降低了總體系統成本。SiC-MOSFET的Vd-Id特性的導通電阻特性呈線性變化，在低電流時SiC-MOSFET比IGBT具有優勢。

與IGBT相比，SiC-MOSFET的開關損耗可以大幅降低。采用硅 IGBT 的電力電子裝置有時不得不使用三電平拓撲來優化效率。當改用碳化硅 (SiC) MOSFET時，可以使用簡單的兩級拓撲。因此所需的功率元件數量實際上減少了一半。這不僅可以降低成本，還可以減少可能發生故障的組件數量。SiC MOSFET 不斷改進，并越來越多地加速替代以 Si IGBT 為主的應用。 SiC MOSFET 幾乎可用于目前使用 Si IGBT 的任何需要更高效率和更高工作頻率的應用。這些應用范圍廣泛，從太陽能和風能逆變器和電機驅動到感應加熱系統和高壓 DC/DC 轉換器。

 

隨著自動化制造、電動汽車、先進建筑系統和智能電器等行業的發展，對增強這些機電設備的控制、效率和功能的需求也在增長。碳化硅 MOSFET (SiC MOSFET) 的突破重新定義了歷史上使用硅 IGBT (Si IGBT) 進行功率逆變的電動機的功能。這項創新擴展了幾乎每個行業的電機驅動應用的能力。Si IGBT 因其高電流處理能力、快速開關速度和低成本而歷來用于直流至交流電機驅動應用。最重要的是，Si IGBT 具有高額定電壓、低電壓降、低電導損耗和熱阻抗，使其成為制造系統等高功率電機驅動應用的明顯選擇。然而，Si IGBT 的一個顯著缺點是它們非常容易受到熱失控的影響。當器件溫度不受控制地升高時，就會發生熱失控，導致器件發生故障并最終失效。在高電流、電壓和工作條件常見的電機驅動應用中，例如電動汽車或制造業，熱失控可能是一個重大的設計風險。

 

電力電子轉換器提高開關頻率一直是研發索所追求的方向，因為相關組件（特別是磁性元件）可以更小，從而產生小型化優勢并節省成本。然而，所有器件的開關損耗都與頻率成正比。IGBT 由于“拖尾電流”以及較高的門極電容的充電/放電造成的功率損耗，IGBT 很少在 20KHz 以上運行。SiC MOSFET在更快的開關速度和更低的功率損耗方面提供了巨大的優勢。IGBT 經過多年的高度改進，使得實現性能顯著改進變得越來越具有挑戰性。例如，很難降低總體功率損耗，因為在傳統的 IGBT 設計中，降低傳導損耗通常會導致開關損耗增加。

 

作為應對這一設計挑戰的解決方案，SiC MOSFET 具有更強的抗熱失控能力。碳化硅 的導熱性更好，可以實現更好的設備級散熱和穩定的工作溫度。SiC MOSFET 更適合較溫暖的環境條件空間，例如汽車和工業應用。此外，鑒于其導熱性，SiC MOSFET 可以消除對額外冷卻系統的需求，從而有可能減小總體系統尺寸并降低系統成本。

 

由于 SiC MOSFET 的工作開關頻率比 Si IGBT 高得多，因此它們非常適合需要精確電機控制的應用。高開關頻率在自動化制造中至關重要，高精度伺服電機用于工具臂控制、精密焊接和精確物體放置。此外，與 Si IGBT 電機驅動器系統相比，SiC MOSFET 的一個顯著優勢是它們能夠嵌入電機組件中，電機控制器和逆變器嵌入與電機相同的外殼內。使用SiC MOSFET 作為變頻器或者伺服驅動功率開關器件的另一個優點是，由于 MOSFET 的線性損耗與負載電流的關系，它可以在所有功率級別保持效率曲線“平坦”。SiC MOSFET變頻伺服驅動器的柵極電阻的選擇是為了首先避免使用外部輸出濾波器，以保護電機免受高 dv/dt 的影響（只有電機電纜長度才會衰減 dv/dt）。 SiC MOSFET變頻伺服驅動器相較于IGBT變頻伺服驅動器在高開關頻率下的巨大效率優越性.

 

盡管 SiC MOSFET 本身成本較高，但某些應用可能會看到整個電機驅動器系統的價格下降（通過減少布線、無源元件、熱管理等），并且與 Si IGBT 系統相比總體上可能更便宜。這種成本節省可能需要在兩個應用系統之間進行復雜的設計和成本研究分析，但可能會提高效率并節省成本。基于 SiC 的逆變器使電壓高達 800 V 的電氣系統能夠顯著延長電動汽車續航里程并將充電時間縮短一半。

 

碳化硅 (SiC) MOSFET功率半導體技術代表了電力電子領域的根本性變革。SiC MOSFET 的價格比 Si MOSFET 或 Si IGBT 貴。然而，在評估碳化硅 (SiC) MOSFET提供的整體電力電子系統價值時，需要考慮整個電力電子系統和節能潛力。需要仔細考慮以下電力電子系統節省： 第一降低無源元件成本，無源功率元件的成本在總體BOM成本中占主導地位。提高開關頻率提供了一種減小這些器件的尺寸和成本的方法。 第二降低散熱要求，使用碳化硅 (SiC) MOSFET可顯著降低散熱器溫度高達 50%，從而縮小散熱器尺寸和/或消除風扇，從而降低設備生命周期內的能源成本。 通常的誘惑是在計算價值主張時僅考慮系統的組件和制造成本。在考慮碳化硅 (SiC) MOSFET的在電力電子系統里的價值時，考慮節能非常重要。在電力電子設備的整個生命周期內節省能源成本是碳化硅 (SiC) MOSFET價值主張的一個重要部分。