基于SiC的高電壓電池斷開開關(guān)的設(shè)計注意事項

得益于固態(tài)電路保護，直流母線電壓為400V或以上的電氣系統(tǒng)（由單相或三相電網(wǎng)電源或儲能系統(tǒng)（ESS）供電）可提升自身的可靠性和彈性。在設(shè)計高電壓固態(tài)電池斷開開關(guān)時，需要考慮幾項基本的設(shè)計決策。其中關(guān)鍵因素包括半導(dǎo)體技術(shù)、器件類型、熱封裝、器件耐用性以及電路中斷期間的感應(yīng)能量管理。在本文中，我們將討論在選擇功率半導(dǎo)體技術(shù)和定義高電壓、高電流電池斷開開關(guān)的半導(dǎo)體封裝時的一些設(shè)計注意事項，以及表征系統(tǒng)的寄生電感和過流保護限值的重要性。

寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)勢

在選擇最佳半導(dǎo)體材料時，應(yīng)考慮多項特性。目標(biāo)是打造兼具最小導(dǎo)通電阻、最小關(guān)斷泄漏電流、高電壓阻斷能力和高功率能力的開關(guān)。圖1顯示了硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）三種半導(dǎo)體材料的特性。SiC和GaN的電擊穿場大約是硅的十倍。這使得設(shè)計漂移區(qū)厚度為等效硅器件十分之一的器件成為可能，因為漂移區(qū)厚度與電擊穿場成反比。此外，漂移區(qū)的電阻與電擊穿場的立方成反比。這使得漂移區(qū)電阻降低了近1000倍。在固態(tài)開關(guān)應(yīng)用中，所有損耗都是導(dǎo)通損耗，高電擊穿場是一項顯著的優(yōu)勢。此外，電阻降低還意味著無需擔(dān)心動態(tài)閂鎖問題，否則較高的dV/dt瞬變可能會分別觸發(fā)硅功率MOSFET和IGBT中的寄生NPN晶體管或晶閘管。

圖1 Si、SiC和GaN三種材料的特性

碳化硅的熱導(dǎo)率是Si和GaN的三倍，可顯著提高芯片散熱能力，使其運行溫度更低并簡化熱設(shè)計?；蛘?，對于等效目標(biāo)結(jié)溫來說，這意味著支持更高的工作電流。更高的熱導(dǎo)率搭配高電擊穿場可以降低導(dǎo)通電阻，從而進一步簡化熱設(shè)計。

碳化硅是一種寬帶隙（WBG）半導(dǎo)體材料，其能隙幾乎是硅的三倍，因此能夠在更高的溫度下工作。半導(dǎo)體在高溫環(huán)境下將無法發(fā)揮半導(dǎo)體的功能。更寬的能隙使得碳化硅能夠在高出硅幾百攝氏度的溫度下正常工作，因為其自由載流子的濃度較低。但是，基于當(dāng)今技術(shù)的其他因素（如封裝和柵極氧化層泄漏）將器件的最大連續(xù)結(jié)溫限制在175 °C。WBG技術(shù)的另一項優(yōu)勢是其關(guān)斷泄漏電流較低。

考慮到以上特性，碳化硅是該應(yīng)用的最佳半導(dǎo)體材料。

以下器件類型之間的差異：IGBT、MOSFET和JFET

晶體管的類型是下一個關(guān)鍵因素。大多數(shù)情況下，導(dǎo)通損耗是需要面臨的最大設(shè)計挑戰(zhàn)。為了滿足系統(tǒng)的熱要求，應(yīng)最大限度地減少導(dǎo)通損耗。一些系統(tǒng)采用液體冷卻，而其他系統(tǒng)可能使用強制風(fēng)冷或依靠自然對流。除了大限度地減少導(dǎo)通損耗之外，還必須將壓降保持在最低水平，以便最大限度地提高所有工作點（包括輕載條件）的效率。這對于電池供電系統(tǒng)尤為重要。許多系統(tǒng)（包括直流系統(tǒng)）中還有一個重要因素，即電流都是雙向的。通常需要兼具低導(dǎo)通損耗、低壓降和反向?qū)芰Φ木w管?？梢钥紤]的晶體管通常包括IGBT、MOSFET和JFET。

盡管IGBT在峰值負(fù)載電流下的導(dǎo)通損耗與MOSFET相當(dāng)，但一旦負(fù)載電流減小，基于IGBT的解決方案就會變得效率低下。這是因為壓降由兩部分組成：一部分壓降接近恒定，與集電極電流無關(guān)；另一部分壓降與集電極電流成正比。使用MOSFET時，壓降與源電流成正比。它沒有IGBT的開銷，這使得所有工作點（包括輕載條件）都能實現(xiàn)高效率。MOSFET允許第一象限和第三象限的通道導(dǎo)通，這意味著電流可以正向和反向流過器件。MOSFET在第三象限工作有一個額外的好處，即其導(dǎo)通電阻通常比在第一象限略低。而IGBT僅在第一象限導(dǎo)通電流，并且需要通過反并聯(lián)二極管來實現(xiàn)反向電流導(dǎo)通。JFET是一種舊技術(shù)，但目前正在復(fù)興，它既可以正向?qū)ㄒ部梢苑聪驅(qū)?，并且與MOSFET一樣，其壓降與漏極電流成正比。JFET與MOSFET的不同之處在于它是一種耗盡型器件。也就是說，JFET屬于常開器件，需要通過柵極偏置來抑制電流的流動。這給設(shè)計人員在考慮系統(tǒng)故障條件時帶來了挑戰(zhàn)。作為一種變通方法，可以使用包括串聯(lián)低電壓硅MOSFET的共源共柵配置來實現(xiàn)常閉器件。串聯(lián)硅器件的加入增加了復(fù)雜度，進而削弱了JFET在高電流應(yīng)用中的一些優(yōu)勢。SiC MOSFET屬于常閉器件，兼具許多系統(tǒng)中所需的低電阻和可控性。

熱封裝

SiC功率模塊可實現(xiàn)高級別的系統(tǒng)優(yōu)化，這很難通過并聯(lián)分立MOSFET來實現(xiàn)。Microchip的mSiC?模塊具有多種配置以及電壓和電流額定值。其中包括共源配置，該配置以反串聯(lián)的方式連接兩個SiC MOSFET，從而實現(xiàn)雙向電壓和電流阻斷。每個MOSFET均由多個芯片并聯(lián)組成，以實現(xiàn)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。

為了使芯片保持較低的運行溫度，需要較低的導(dǎo)通電阻和熱阻。模塊中使用的材料是決定結(jié)至外殼熱阻及其可靠性的基本要素。具體來說，芯片粘接、基板和底板材料特性是形成模塊熱阻的主要因素。選擇高熱導(dǎo)率的材料有助于最大限度地降低熱阻和結(jié)溫。除了熱性能之外，選擇熱膨脹系數(shù)（CTE）緊密匹配的材料可以降低材料界面和內(nèi)部的熱應(yīng)力，從而延長模塊的使用壽命。表1匯總了這些熱特性。氮化鋁（AlN）基板和銅（Cu）底板是mSiC功率模塊的標(biāo)配。氮化硅（Si3N4）基板和鋁碳化硅（AlSiC）底板的可靠性更高。圖2給出了采用通過DO-160認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)SP3F和SP6C封裝以及高可靠性無底板BL1和BL3封裝的共源功率模塊。

表1 芯片、基板和底板的熱特性

圖2 采用共源配置的Microchip mSiC?模塊

器件耐用性和系統(tǒng)電感

除了模塊的熱性能和長期可靠性之外，電路中斷器件的另一個設(shè)計注意事項是高感應(yīng)能量。繼電器和接觸器的循環(huán)次數(shù)是有限的。它們通常指定無負(fù)載機械開關(guān)循環(huán)，極少指定電氣負(fù)載開關(guān)循環(huán)。系統(tǒng)中的電感會導(dǎo)致觸點間產(chǎn)生電弧，進而在電流斷開時導(dǎo)致性能下降。因此，電氣循環(huán)額定值的工作條件被明確定義，并對其壽命有很大影響。即便如此，在使用接觸器或繼電器的系統(tǒng)中仍然需要連接上游熔絲，因為在較高的短路電流下，觸點可能會熔接關(guān)斷。固態(tài)電池斷開開關(guān)不會受到這種性能下降的影響，因此有助于打造可靠性更高的系統(tǒng)。盡管如此，對于管理中斷高電流時存在的感應(yīng)能量來說，了解系統(tǒng)的寄生和負(fù)載電感與電容也是至關(guān)重要的。

感應(yīng)能量與電感以及中斷時系統(tǒng)中電流的平方成正比。開關(guān)輸出端子發(fā)生短路會導(dǎo)致電流快速增加，其上升速率等于電池電壓與源電感之比。舉例來說，800V母線電壓和5 μH的源電感會導(dǎo)致電流以每微秒160A的速度增加。5 μs的檢測和響應(yīng)時間將導(dǎo)致電路中產(chǎn)生800A的額外電流。由于不建議在雪崩模式下操作SiC功率模塊，因此需要使用緩沖電路或鉗位電路來吸收這種感應(yīng)能量以保護模塊。但是，當(dāng)經(jīng)過適當(dāng)設(shè)計以滿足爬電距離和間隙要求時，緩沖電路引入的寄生效應(yīng)會進一步限制其有效性。因此，開關(guān)應(yīng)足夠緩慢地關(guān)斷，以限制模塊內(nèi)部電感引起電壓過應(yīng)力和電流突然下降。采用低電感設(shè)計的模塊有助于進一步最大限度地降低該電壓應(yīng)力。

在硅功率器件中，高電流的快速中斷會帶來觸發(fā)寄生NPN或晶閘管的風(fēng)險，進而導(dǎo)致無法控制的閂鎖并最終引發(fā)故障。在SiC器件上，非?？焖俚年P(guān)斷可能會導(dǎo)致每個芯片在關(guān)斷過程中發(fā)生低能量雪崩擊穿，直到緩沖電路或鉗位電路吸收掉高能量為止。Microchip的mSiC MOSFET經(jīng)過專門設(shè)計和測試，具有非鉗位電感開關(guān)（UIS）耐受性，可在緩沖電路或鉗位電路的性能開始下降時提供額外的安全裕度。圖3給出了與市場上其他SiC器件的單觸發(fā)和重復(fù)UIS性能對比。

圖3 單觸發(fā)（上）和重復(fù)（下）雪崩能量性能

盡管應(yīng)了解器件級抗短路能力，并且IGBT的器件級抗短路能力確實比MOSFET更出色，但在實際系統(tǒng)中會面臨不同的應(yīng)力條件。由于系統(tǒng)電感固有的限流特性，模塊不太可能達到其短路電流額定值。限制因素為緩沖電路或鉗位電路設(shè)計。為了設(shè)計出外型小巧的高性價比緩沖電路，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范圍內(nèi)。例如，在由9個芯片并聯(lián)組成并設(shè)計用于防止短路電流超過1350A的500A電池斷開開關(guān)中，每個芯片導(dǎo)通150安培的電流（假定電流均勻分布）。這比器件級短路測試中的電流要低得多，器件級短路測試期間的電流會超過幾百安培。電壓鉗位器件的優(yōu)化是穩(wěn)健型固態(tài)電池斷開開關(guān)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

其他設(shè)計注意事項

除了功率器件之外，還有一些與控制電子器件相關(guān)的設(shè)計注意事項，其中包括電流檢測技術(shù)、過流檢測和保護以及功能安全。對于低寄生電感系統(tǒng)的設(shè)計來說，是否使用電流檢測電阻或磁性技術(shù)進行電流檢測的決策非常重要，因為快速的響應(yīng)時間至關(guān)重要。是否使用硬件、軟件或兩者結(jié)合進行過流檢測也是一項重要的決策，尤其是在需要滿足功能安全要求時。

以上討論了關(guān)于固態(tài)電池斷開開關(guān)中高電壓功率器件的選擇和設(shè)計的一些關(guān)鍵方面。與傳統(tǒng)機械斷開開關(guān)相比，固態(tài)斷開開關(guān)之所以具有系統(tǒng)級優(yōu)勢，關(guān)鍵在于碳化硅和功率半導(dǎo)體封裝的優(yōu)勢。得益于碳化硅技術(shù)，器件現(xiàn)在能夠兼具較低的導(dǎo)通電阻和熱阻，從而實現(xiàn)許多系統(tǒng)中所需的低導(dǎo)通損耗，同時還可以采用保證高可靠性的材料。