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)電路保護提高其可靠性和韌性。在設計高壓固態(tài)電池斷開開關時，需要考慮多個基本設計決策。關鍵因素包括半導體技術、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能量。本文將討論在選擇高壓高電流電池斷開開關的功率半導體技術和定義半導體封裝時的設計考慮，以及對系統(tǒng)寄生電感和過流保護極限進行特征化的重要性。

寬禁帶半導體技術的優(yōu)勢

選擇最佳半導體材料以實現(xiàn)具有最低導通電阻、最低關斷漏電流、高電壓阻擋能力和高功率能力的開關非常重要。圖1顯示了硅(Si)、碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)的半導體材料特性。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)開關應用中，所有損耗都是導通損耗，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計?；蛘?，對于等效目標結溫，它允許更高的電流操作。更高的熱導率，加上高電擊穿場強，導致低導通電阻，進一步簡化了熱設計。

碳化硅作為一種寬禁帶(WBG)半導體材料，其能隙幾乎是硅的三倍，這使得其能夠在更高溫度下工作。當溫度升高時，半導體的功能會喪失。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，基于當前技術的其他因素(例如，封裝、柵氧化物漏電)限制了器件的最大連續(xù)結溫為175°C。WBG技術的另一個優(yōu)勢是提供更低的關斷漏電流。

考慮到這些特性，碳化硅是此應用的最佳半導體材料。

IGBT、MOSFET和JFET之間的差異

晶體管類型是下一個關鍵因素。在大多數(shù)情況下，導通損耗是最大的設計挑戰(zhàn)。應盡量減小導通損耗，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通損耗、低電壓降和反向導電能力的晶體管。常被考慮的晶體管包括IGBT、MOSFET和JFET。

雖然IGBT在峰值負載電流下提供與MOSFET相當?shù)膶〒p耗，但一旦負載電流降低，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(包括輕負載條件下)實現(xiàn)高效率。MOSFET允許在第一和第三象限進行通道導電，這意味著電流可以在設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通電阻。而IGBT僅在第一象限導電，需借助反并聯(lián)二極管進行反向電流導電。

JFET是一個較老的技術，但正在復興，能在正向和反向導電中工作，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備。也就是說，JFET通常是導通的，需施加柵極偏壓以抑制電流流動。當考慮系統(tǒng)故障條件時，這給設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)通常關閉的設備。添加系列硅器件增加了復雜性，降低了JFET在高電流應用中的一些優(yōu)勢。SiC MOSFET作為一種通常關閉的設備，提供了許多系統(tǒng)所需的低電阻和可控性。

熱包裝

SiC功率模塊能夠實現(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，以達到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(lián)連接。

需要低導通電阻和低熱阻以保持芯片冷卻。模塊內使用的材料是決定從結到殼體的熱阻以及其可靠性的關鍵元素。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者。選擇具有高熱導率的材料有助于最小化熱阻和結溫。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部的熱應力來延長模塊的使用壽命。表1總結了這些熱特性。氮化鋁(AlN)基板和銅(Cu)基座是mSiC功率模塊的標準配置。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展示了在標準SP3F和SP6C封裝中的常源功率模塊及經(jīng)過DO-160認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，電路中斷設備的另一個設計考慮是高感應能量。繼電器和接觸器的循環(huán)次數(shù)有限。通常，它們在無負載機械切換周期下規(guī)定，而電氣負載切換周期顯著更少。系統(tǒng)中的電感導致接觸器斷開時發(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)的寄生電感和負載電感及電容也至關重要，以管理在中斷高電流時存在的感應能量。

感應能量與電感和中斷時系統(tǒng)中的電流平方成正比。開關輸出端短路會導致電流快速增加，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微亨的源電感會導致電流以每微秒160 A的速率增加。5微秒的響應時間來檢測和響應，將導致電路中額外增加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模塊，通過吸收這個感應能量。然而，當正確設計以滿足爬電和間隙要求時，添加到阻尼電路的寄生效應進一步限制了其有效性。因此，開關應在足夠緩慢的情況下關閉，以限制模塊內部電感和電流突降帶來的電壓過應力。設計低電感的模塊有助于進一步最小化這種電壓應力。

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)，導致無法控制的鎖存和最終故障。在SiC器件上，快速關斷可能導致每個芯片在關斷過程中發(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)過設計和測試，具備無夾緊感應切換(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UIS性能。

雖然應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，它會遭遇不同的應力條件。由于系統(tǒng)電感的固有限流行為，模塊不太可能達到其短路電流額定值。限制因素是阻尼器或夾緊電路的設計。為了設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的電池斷開開關中，由九個并聯(lián)芯片組成，設計以防止短路電流超過1350 A，每個芯片導電電流為150 A，假設電流分布均勻。這是遠低于在設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計穩(wěn)健固態(tài)電池斷開開關的關鍵部分。

其他設計考慮

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