SiC碳化硅MOSFET在固态断路器SSCB的应用

国产BASiC基本第二代SiC碳化硅MOSFET在固态断路器SSCB的应用-倾佳电子专业分销

适用于固态断路器SSCB的国产BASiC基本第二代碳化硅MOSFET-倾佳电子专业分销

直流配电应用中用于固态断路器的BASiC基本国产第二代SiC碳化硅MOSFET-倾佳电子专业分销

BASiC基本第二代SiC碳化硅MOSFET两大主要特色：

1.出类拔萃的可靠性：相对竞品较为充足的设计余量来确保大规模制造时的器件可靠性。

BASiC基本第二代SiC碳化硅MOSFET 1200V系列击穿电压BV值实测在1700V左右，高于市面主流竞品，击穿电压BV设计余量可以抵御碳化硅衬底外延材料及晶圆流片制程的摆动，能够确保大批量制造时的器件可靠性，这是BASiC基本第二代SiC碳化硅MOSFET最关键的品质. 

2.可圈可点的器件性能：同规格较小的Crss带来出色的开关性能。

BASiC基本第二代SiC碳化硅MOSFET反向传输电容Crss 在市面主流竞品中是比较小的，带来关断损耗Eoff也是市面主流产品中非常出色的，优于部分海外竞品，特别适用于LLC应用.

Ciss：输入电容（Ciss＝Cgd＋Cgs） ⇒栅极-漏极和栅极-源极电容之和：它影响延迟时间；Ciss越大，延迟时间越长。BASiC基本第二代SiC碳化硅MOSFET 优于主流竞品。

Crss：反向传输电容（Crss＝Cgd） ⇒栅极-漏极电容：Crss越小，漏极电流上升特性越好，这有利于MOSFET的损耗，在开关过程中对切换时间起决定作用，高速驱动需要低Crss。

Coss：输出电容（Coss＝Cgd＋Cds）⇒栅极-漏极和漏极-源极电容之和：它影响关断特性和轻载时的损耗。如果Coss较大，关断dv／dt减小，这有利于噪声。但轻载时的损耗增加。

基本B2M第二代碳化硅MOSFET器件主要特色：

• 比导通电阻降低40%左右

• Qg降低了60%左右

• 开关损耗降低了约30%

• 降低Coss参数，更适合软开关

• 降低Crss，及提高Ciss/Crss比值,降低器件在串扰行为下误导通风险

• 最大工作结温175℃• HTRB、 HTGB+、 HTGB-可靠性按结温Tj=175℃通过测试

• 优化栅氧工艺，提高可靠性

• 高可靠性钝化工艺

• 优化终端环设计，降低高温漏电流

• AEC-Q101

输电和配电系统以及敏感设备需要针对长期过载和瞬态短路情况提供保护。随着电气系统和电动汽车使用越来越高的电压，最大潜在故障电流比以往任何时候都高。针对这些大电流故障的保护需要超快的交流和直流断路器。虽然机械断路器历来是该应用最受欢迎的选择，但日益严格的操作要求使得 固态断路器SSCB 更受欢迎。与机械方法相比，它们有几个优点：

坚固性和可靠性：机械断路器包含运动部件，这使得它们很脆弱。这意味着它们很容易因运动而损坏或意外绊倒，并且在其使用寿命期间每次重置时都会受到磨损。相比之下，由于 固态断路器SSCB 不包含移动部件，因此更加坚固，并且不太可能遭受意外损坏，从而能够重复使用数千次。

温度灵活性：机械断路器的工作温度取决于其构造中使用的材料并限制工作温度。固态断路器SSCB 的工作温度高于机械断路器，且可设定。

远程配置：一旦跳闸，人们必须手动重置机械断路器，这既耗时又昂贵，特别是在跨多个安装时，而且还可能产生安全隐患。固态断路器SSCB 可以使用有线或无线连接远程重置。

更快的切换且无电弧：当机械断路器切换时，可能会发生电弧和电压波动，足以损坏负载设备。在 固态断路器SSCB 中使用软启动方法可以防止这些感应电压尖峰和电容浪涌电流的影响，如果发生故障，开关速度要快得多，大约几微秒。

灵活的额定电流：机械断路器具有固定的额定电流，而 固态断路器SSCB 的额定电流是可编程的。减小尺寸和成本：与机械断路器相比，固态断路器SSCB 减轻了重量，显着减轻重量并占用更少的空间。

快速反应时间是直流系统的一项重要要求，这使得 固态断路器SSCB 成为理想的选择。结合 BASiC基本第二代SiC碳化硅MOSFET 技术的优势，可以进一步提高 SSCB 响应时间及其效率（低传导损耗），同时还可能提高其功率密度（低冷却要求）。

全固态断路器是指完全由功率半导体器件代替机械开关的断路器，全固态断路器又可分为半控型全固态断路器和全控型固态断路器，全固态断路器通常包括固态开关电路、缓冲电路、检测单元以及控制单元等部分。与硅功率半导体器件相比，SiC MOSFET碳化硅功率半导体器件具有较低的通态电阻，可以减少直流固态断路器的通态损耗，减轻冷却压力。

相比其他类型断路器，固态断路器虽然切断速度快，但是其成本较高高，价格昂贵，同时其同步控制以及电压、电流均衡化问题也很突出，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、复杂性降低等为客户提供价值，固态断路器未来将向智能化和数字化的方向发展，如何降低成本、提高可靠性以及降低损耗等问题仍然是研的重点。

采用BASiC基本第二代SiC碳化硅MOSFET代理冷却性好、低成本、低损耗、稳定性高的优势。

机械断路器具有较低的功率损耗和较高的功率密度，目前比固态断路器SSCB 便宜。尽管如此，它们仍然容易因重复使用而磨损，并且需要与重置或更换相关的昂贵的手动维护。随着电动汽车采用率的不断提高，对断路器和SiC碳化硅MOSFET器件的需求将继续增长，从而使SiC碳化硅MOSFET的成本竞争力日益增强，并增加SiC碳化硅MOSFET在 SSCB 解决方案中使用的吸引力。随着SiC碳化硅MOSFET工艺技术的进步，SiC碳化硅MOSFET的导通电阻进一步下降，最终达到与机械断路器相当的水平，功率损耗将变得不再是问题。由基于SiC碳化硅MOSFET的器件构建的 SSCB 具有快速开关、无电弧以及通过零维护显着节省成本等优点，将会加速替代升级现有的机械断路器。

碳化硅 (SiC) MOSFET出色的材料特性使得能够设计快速开关单极型器件，替代升级双极型 IGBT  （绝缘栅双极晶体管）开关。碳化硅 (SiC) MOSFET替代IGBT可以得到更高的效率、更高的开关频率、更少的散热和节省空间——这些好处反过来也降低了总体系统成本。SiC-MOSFET的Vd-Id特性的导通电阻特性呈线性变化，在低电流时SiC-MOSFET比IGBT具有优势。

与IGBT相比，SiC-MOSFET的开关损耗可以大幅降低。采用硅 IGBT 的电力电子装置有时不得不使用三电平拓扑来优化效率。当改用碳化硅 (SiC) MOSFET时，可以使用简单的两级拓扑。因此所需的功率元件数量实际上减少了一半。这不仅可以降低成本，还可以减少可能发生故障的组件数量。SiC MOSFET 不断改进，并越来越多地加速替代以 Si IGBT 为主的应用。 SiC MOSFET 几乎可用于目前使用 Si IGBT 的任何需要更高效率和更高工作频率的应用。这些应用范围广泛，从太阳能和风能逆变器和电机驱动到感应加热系统和高压 DC/DC 转换器。

随着自动化制造、电动汽车、先进建筑系统和智能电器等行业的发展，对增强这些机电设备的控制、效率和功能的需求也在增长。碳化硅 MOSFET (SiC MOSFET) 的突破重新定义了历史上使用硅 IGBT (Si IGBT) 进行功率逆变的电动机的功能。这项创新扩展了几乎每个行业的电机驱动应用的能力。Si IGBT 因其高电流处理能力、快速开关速度和低成本而历来用于直流至交流电机驱动应用。最重要的是，Si IGBT 具有高额定电压、低电压降、低电导损耗和热阻抗，使其成为制造系统等高功率电机驱动应用的明显选择。然而，Si IGBT 的一个显着缺点是它们非常容易受到热失控的影响。当器件温度不受控制地升高时，就会发生热失控，导致器件发生故障并最终失效。在高电流、电压和工作条件常见的电机驱动应用中，例如电动汽车或制造业，热失控可能是一个重大的设计风险。

电力电子转换器提高开关频率一直是研发索所追求的方向，因为相关组件（特别是磁性元件）可以更小，从而产生小型化优势并节省成本。然而，所有器件的开关损耗都与频率成正比。IGBT 由于“拖尾电流”以及较高的门极电容的充电/放电造成的功率损耗，IGBT 很少在 20KHz 以上运行。SiC MOSFET在更快的开关速度和更低的功率损耗方面提供了巨大的优势。IGBT 经过多年的高度改进，使得实现性能显着改进变得越来越具有挑战性。例如，很难降低总体功率损耗，因为在传统的 IGBT 设计中，降低传导损耗通常会导致开关损耗增加。

作为应对这一设计挑战的解决方案，SiC MOSFET 具有更强的抗热失控能力。碳化硅 的导热性更好，可以实现更好的设备级散热和稳定的工作温度。SiC MOSFET 更适合较温暖的环境条件空间，例如汽车和工业应用。此外，鉴于其导热性，SiC MOSFET 可以消除对额外冷却系统的需求，从而有可能减小总体系统尺寸并降低系统成本。

由于 SiC MOSFET 的工作开关频率比 Si IGBT 高得多，因此它们非常适合需要精确电机控制的应用。高开关频率在自动化制造中至关重要，高精度伺服电机用于工具臂控制、精密焊接和精确物体放置。此外，与 Si IGBT 电机驱动器系统相比，SiC MOSFET 的一个显着优势是它们能够嵌入电机组件中，电机控制器和逆变器嵌入与电机相同的外壳内。使用SiC MOSFET 作为变频器或者伺服驱动功率开关器件的另一个优点是，由于 MOSFET 的线性损耗与负载电流的关系，它可以在所有功率级别保持效率曲线“平坦”。SiC MOSFET变频伺服驱动器的栅极电阻的选择是为了首先避免使用外部输出滤波器，以保护电机免受高 dv/dt 的影响（只有电机电缆长度才会衰减 dv/dt）。 SiC MOSFET变频伺服驱动器相较于IGBT变频伺服驱动器在高开关频率下的巨大效率优越性.

尽管 SiC MOSFET 本身成本较高，但某些应用可能会看到整个电机驱动器系统的价格下降（通过减少布线、无源元件、热管理等），并且与 Si IGBT 系统相比总体上可能更便宜。这种成本节省可能需要在两个应用系统之间进行复杂的设计和成本研究分析，但可能会提高效率并节省成本。基于 SiC 的逆变器使电压高达 800 V 的电气系统能够显着延长电动汽车续航里程并将充电时间缩短一半。

碳化硅 (SiC) MOSFET功率半导体技术代表了电力电子领域的根本性变革。SiC MOSFET 的价格比 Si MOSFET 或 Si IGBT 贵。然而，在评估碳化硅 (SiC) MOSFET提供的整体电力电子系统价值时，需要考虑整个电力电子系统和节能潜力。需要仔细考虑以下电力电子系统节省： 第一降低无源元件成本，无源功率元件的成本在总体BOM成本中占主导地位。提高开关频率提供了一种减小这些器件的尺寸和成本的方法。 第二降低散热要求，使用碳化硅 (SiC) MOSFET可显着降低散热器温度高达 50%，从而缩小散热器尺寸和/或消除风扇，从而降低设备生命周期内的能源成本。 通常的诱惑是在计算价值主张时仅考虑系统的组件和制造成本。在考虑碳化硅 (SiC) MOSFET的在电力电子系统里的价值时，考虑节能非常重要。在电力电子设备的整个生命周期内节省能源成本是碳化硅 (SiC) MOSFET价值主张的一个重要部分。