如何通過高壓SiC電池斷開開關(guān)提升電氣系統(tǒng)的可靠性與效率

電氣系統(tǒng)的直流母線電壓在400伏特或更高，由單相或三相電網(wǎng)電源或能量存儲系統(tǒng)(ESS)供電，可以通過固態(tài)電路保護(hù)提高其可靠性和韌性。在設(shè)計高壓固態(tài)電池斷開開關(guān)時，需要考慮多個基本設(shè)計決策。關(guān)鍵因素包括半導(dǎo)體技術(shù)、器件類型、熱包裝、器件的穩(wěn)健性，以及在電路中斷時管理感應(yīng)能量。本文將討論在選擇高壓高電流電池斷開開關(guān)的功率半導(dǎo)體技術(shù)和定義半導(dǎo)體封裝時的設(shè)計考慮，以及對系統(tǒng)寄生電感和過流保護(hù)極限進(jìn)行特征化的重要性。

寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)勢

選擇最佳半導(dǎo)體材料以實現(xiàn)具有最低導(dǎo)通電阻、最低關(guān)斷漏電流、高電壓阻擋能力和高功率能力的開關(guān)非常重要。圖1顯示了硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)的半導(dǎo)體材料特性。SiC和GaN的電擊穿場強約為硅的十倍。這使得可以設(shè)計具有漂移區(qū)厚度為等效額定硅器件十分之一的器件，因為其厚度與電擊穿場強成反比。此外，漂移區(qū)的電阻與電擊穿場強的立方成反比。這使得漂移區(qū)電阻降低近1000倍。在固態(tài)開關(guān)應(yīng)用中，所有損耗都是導(dǎo)通損耗，高電擊穿場強是一個顯著的優(yōu)勢。這種降低的電阻也消除了動態(tài)鎖存問題的擔(dān)憂，在高dV/dt瞬態(tài)下，可能會觸發(fā)硅功率MOSFET和IGBT中的寄生NPN晶體管或晶閘管。

碳化硅的熱導(dǎo)率是硅和氮化鎵的三倍，這顯著提高了從芯片中散熱的能力，使其能夠更冷運行并簡化熱設(shè)計?；蛘?，對于等效目標(biāo)結(jié)溫，它允許更高的電流操作。更高的熱導(dǎo)率，加上高電擊穿場強，導(dǎo)致低導(dǎo)通電阻，進(jìn)一步簡化了熱設(shè)計。

碳化硅作為一種寬禁帶(WBG)半導(dǎo)體材料，其能隙幾乎是硅的三倍，這使得其能夠在更高溫度下工作。當(dāng)溫度升高時，半導(dǎo)體的功能會喪失。更寬的能隙使碳化硅能夠在比硅高數(shù)百攝氏度的溫度下工作，因為自由電荷載流子的濃度較低。然而，基于當(dāng)前技術(shù)的其他因素(例如，封裝、柵氧化物漏電)限制了器件的最大連續(xù)結(jié)溫為175°C。WBG技術(shù)的另一個優(yōu)勢是提供更低的關(guān)斷漏電流。

考慮到這些特性，碳化硅是此應(yīng)用的最佳半導(dǎo)體材料。

IGBT、MOSFET和JFET之間的差異

晶體管類型是下一個關(guān)鍵因素。在大多數(shù)情況下，導(dǎo)通損耗是最大的設(shè)計挑戰(zhàn)。應(yīng)盡量減小導(dǎo)通損耗，以滿足系統(tǒng)的熱要求。一些系統(tǒng)中提供液體冷卻，而其他系統(tǒng)可能使用強制空氣或依賴自然對流。除了最小的導(dǎo)通損耗外，電壓降也必須保持在最低，以最大化所有工作點(包括輕負(fù)載條件下)的效率。這在電池供電系統(tǒng)中特別重要。在許多系統(tǒng)(包括直流系統(tǒng))中，雙向電流流動也是一個重要因素。通常希望選擇具有低導(dǎo)通損耗、低電壓降和反向?qū)щ娔芰Φ木w管。常被考慮的晶體管包括IGBT、MOSFET和JFET。

雖然IGBT在峰值負(fù)載電流下提供與MOSFET相當(dāng)?shù)膶?dǎo)通損耗，但一旦負(fù)載電流降低，基于IGBT的解決方案的效率就會下降。這是因為電壓降由兩個部分組成：一個與集電極電流無關(guān)的近恒定電壓降和一個與集電極電流成比例的電壓降。MOSFET的電壓降與源電流成正比。它沒有IGBT的額外開銷，因此能夠在所有工作點(包括輕負(fù)載條件下)實現(xiàn)高效率。MOSFET允許在第一和第三象限進(jìn)行通道導(dǎo)電，這意味著電流可以在設(shè)備中正向和反向流動。MOSFET在第三象限操作的附加好處是其通常具有比第一象限稍低的導(dǎo)通電阻。而IGBT僅在第一象限導(dǎo)電，需借助反并聯(lián)二極管進(jìn)行反向電流導(dǎo)電。

JFET是一個較老的技術(shù)，但正在復(fù)興，能在正向和反向?qū)щ娭泄ぷ?，并且與MOSFET類似，其電壓降與漏電流成比例。JFET不同于MOSFET的是它是一種耗盡模式設(shè)備。也就是說，JFET通常是導(dǎo)通的，需施加?xùn)艠O偏壓以抑制電流流動。當(dāng)考慮系統(tǒng)故障條件時，這給設(shè)計人員帶來了實際挑戰(zhàn)。作為解決方案，可以使用級聯(lián)配置，包括一系列低電壓硅MOSFET，以實現(xiàn)通常關(guān)閉的設(shè)備。添加系列硅器件增加了復(fù)雜性，降低了JFET在高電流應(yīng)用中的一些優(yōu)勢。SiC MOSFET作為一種通常關(guān)閉的設(shè)備，提供了許多系統(tǒng)所需的低電阻和可控性。

熱包裝

SiC功率模塊能夠?qū)崿F(xiàn)高水平的系統(tǒng)優(yōu)化，這在并聯(lián)離散MOSFET時是難以實現(xiàn)的。Microchip的mSiC模塊提供多種配置和電壓、電流等級。其中包括常源配置，連接兩個SiC MOSFET，以反串聯(lián)配置實現(xiàn)雙向電壓和電流阻擋。每個MOSFET由多個并聯(lián)連接的芯片組成，以達(dá)到額定電流和低導(dǎo)通電阻。對于單向電池斷開開關(guān)，兩個MOSFET在功率模塊外部并聯(lián)連接。

需要低導(dǎo)通電阻和低熱阻以保持芯片冷卻。模塊內(nèi)使用的材料是決定從結(jié)到殼體的熱阻以及其可靠性的關(guān)鍵元素。具體而言，芯片連接、基板和基座材料特性是模塊熱阻的主要貢獻(xiàn)者。選擇具有高熱導(dǎo)率的材料有助于最小化熱阻和結(jié)溫。除了熱性能外，選擇具有相似熱膨脹系數(shù)(CTE)的材料可以通過減少材料界面和內(nèi)部的熱應(yīng)力來延長模塊的使用壽命。表1總結(jié)了這些熱特性。氮化鋁(AlN)基板和銅(Cu)基座是mSiC功率模塊的標(biāo)準(zhǔn)配置。使用氮化硅(Si3N4)基板和鋁硅化合物(AlSiC)基座的選項提供更高的可靠性。圖2展示了在標(biāo)準(zhǔn)SP3F和SP6C封裝中的常源功率模塊及經(jīng)過DO-160認(rèn)證的高可靠性無基座BL1和BL3封裝。

器件的穩(wěn)健性和系統(tǒng)電感

除了模塊的熱性能和長期可靠性外，電路中斷設(shè)備的另一個設(shè)計考慮是高感應(yīng)能量。繼電器和接觸器的循環(huán)次數(shù)有限。通常，它們在無負(fù)載機械切換周期下規(guī)定，而電氣負(fù)載切換周期顯著更少。系統(tǒng)中的電感導(dǎo)致接觸器斷開時發(fā)生電弧，造成接觸器的退化。因此，電氣循環(huán)額定值的操作條件是專門定義的，并對其使用壽命有很大影響。即便如此，在使用接觸器或繼電器的系統(tǒng)中仍需上游熔斷器，因為在高短路電流下，接觸器可能會焊接在一起。固態(tài)電池斷開開關(guān)不受此種退化影響，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。盡管如此，了解系統(tǒng)的寄生電感和負(fù)載電感及電容也至關(guān)重要，以管理在中斷高電流時存在的感應(yīng)能量。

感應(yīng)能量與電感和中斷時系統(tǒng)中的電流平方成正比。開關(guān)輸出端短路會導(dǎo)致電流快速增加，以電池電壓與源電感之比的速率上升。例如，800伏特母線電壓和5微亨的源電感會導(dǎo)致電流以每微秒160 A的速率增加。5微秒的響應(yīng)時間來檢測和響應(yīng)，將導(dǎo)致電路中額外增加800 A電流。由于不建議在雪崩模式下運行SiC功率模塊，因此需要使用阻尼器或夾緊電路來保護(hù)模塊，通過吸收這個感應(yīng)能量。然而，當(dāng)正確設(shè)計以滿足爬電和間隙要求時，添加到阻尼電路的寄生效應(yīng)進(jìn)一步限制了其有效性。因此，開關(guān)應(yīng)在足夠緩慢的情況下關(guān)閉，以限制模塊內(nèi)部電感和電流突降帶來的電壓過應(yīng)力。設(shè)計低電感的模塊有助于進(jìn)一步最小化這種電壓應(yīng)力。

在硅功率器件中，快速中斷高電流會引發(fā)寄生NPN晶體管或晶閘管的觸發(fā)，導(dǎo)致無法控制的鎖存和最終故障。在SiC器件上，快速關(guān)斷可能導(dǎo)致每個芯片在關(guān)斷過程中發(fā)生低能量雪崩擊穿，直到阻尼器或夾緊裝置吸收高能量。Microchip的mSiC MOSFET經(jīng)過設(shè)計和測試，具備無夾緊感應(yīng)切換(UIS)抗壓能力，提供了額外的安全邊際，因為阻尼器或夾緊裝置開始退化。圖3展示了與市場上其他SiC器件相比的單次和重復(fù)UIS性能。

雖然應(yīng)理解器件級短路能力，且IGBT在器件級短路性能上優(yōu)于MOSFET，但在實際系統(tǒng)中，它會遭遇不同的應(yīng)力條件。由于系統(tǒng)電感的固有限流行為，模塊不太可能達(dá)到其短路電流額定值。限制因素是阻尼器或夾緊電路的設(shè)計。為了設(shè)計一個成本效益高且緊湊的阻尼器，允許的系統(tǒng)級峰值短路電流將被限制在遠(yuǎn)低于模塊短路電流額定值的水平。例如，在一個500 A的電池斷開開關(guān)中，由九個并聯(lián)芯片組成，設(shè)計以防止短路電流超過1350 A，每個芯片導(dǎo)電電流為150 A，假設(shè)電流分布均勻。這是遠(yuǎn)低于在設(shè)備級短路測試中電流超過幾百安培的水平。優(yōu)化電壓鉗位裝置是設(shè)計穩(wěn)健固態(tài)電池斷開開關(guān)的關(guān)鍵部分。

其他設(shè)計考慮

除了功率器件之外，還有與控制電子相關(guān)的設(shè)計考慮，包括電流傳感技術(shù)、過流檢測與保護(hù)以及功能安全。決定是使用分流電阻還是磁性技術(shù)進(jìn)行電流傳感對于在低寄生電感的系統(tǒng)中設(shè)計至關(guān)重要，因為快速響應(yīng)時間是必需的。是否使用硬件、軟件或兩者結(jié)合進(jìn)行過流檢測也是一個重要決策，特別是在設(shè)計以滿足功能安全要求時。碳化硅和功率半導(dǎo)體封裝的優(yōu)勢是固態(tài)斷開開關(guān)相較于傳統(tǒng)機械斷開開關(guān)提供的系統(tǒng)級效益的關(guān)鍵推動力。利用碳化硅技術(shù)，現(xiàn)在可獲得低導(dǎo)通電阻和熱阻的器件，使其在許多系統(tǒng)中滿足低導(dǎo)通損耗的需求，同時使用確保高可靠性的材料。