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Microchip Technology Inc. 碳化硅業(yè)務(wù)部 資深顧問(wèn)級(jí)應(yīng)用工程師 Ehab Tarmoom 得益于固態(tài)電路保護(hù)，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(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）供電）可提升自身的可靠性和彈性。在設(shè)計(jì)高電壓固態(tài)電池?cái)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān)時(shí)，需要考慮幾項(xiàng)基本的設(shè)計(jì)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?cái)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān)的半導(dǎo)體封裝時(shí)的一些設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，以及表征系統(tǒng)的寄生電感和過(guò)流保護(hù)限值的重要性。 寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)勢(shì) 在選擇最佳半導(dǎo)體材料時(shí)，應(yīng)考慮多項(xiàng)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(kāi)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(chǎng)大約是硅的十倍。這使得設(shè)計(jì)漂移區(qū)厚度為等效硅器件十分之一的器件成為可能，因?yàn)槠茀^(qū)厚度與電擊穿場(chǎng)成反比。此外，漂移區(qū)的電阻與電擊穿場(chǎng)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(kāi)關(guān)應(yīng)用中，所有損耗都是導(dǎo)通損耗，高電擊穿場(chǎng)是一項(xiàng)顯著的優(yōu)勢(shì)。此外，電阻降低還意味著無(wú)需擔(dān)心動(dòng)態(tài)閂鎖問(wèn)題，否則較高的dV/dt瞬變可能會(huì)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(yùn)行溫度更低并簡(jiǎn)化熱設(shè)計(jì)�；蛘�，對(duì)于等效目標(biāo)結(jié)溫來(lái)說(shuō)，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(chǎng)可以降低導(dǎo)通電阻，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化熱設(shè)計(jì)。 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(wú)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?yàn)槠渥杂奢d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(xiàng)優(yōu)勢(shì)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(gè)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(jì)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(qiáng)制風(fēng)冷或依靠自然對(duì)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(diǎn)（包括輕載條件）的效率。這對(duì)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(gè)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(huì)變得效率低下。這是因?yàn)閴航涤蓛刹糠纸M成：一部分壓降接近恒定，與集電極電流無(wú)關(guān)；另一部分壓降與集電極電流成正比。使用MOSFET時(shí)，壓降與源電流成正比。它沒(méi)有IGBT的開(kāi)銷(xiāo)，這使得所有工作點(diǎn)（包括輕載條件）都能實(shí)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(guò)器件。MOSFET在第三象限工作有一個(gè)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(guò)反并聯(lián)二極管來(lái)實(shí)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(shuō)，JFET屬于常開(kāi)器件，需要通過(guò)柵極偏置來(lái)抑制電流的流動(dòng)。這給設(shè)計(jì)人員在考慮系統(tǒng)故障條件時(shí)帶來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)常閉器件。串聯(lián)硅器件的加入增加了復(fù)雜度，進(jìn)而削弱了JFET在高電流應(yīng)用中的一些優(yōu)勢(shì)。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(shí)現(xiàn)高級(jí)別的系統(tǒng)優(yōu)化，這很難通過(guò)并聯(lián)分立MOSFET來(lái)實(shí)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(gè)SiC MOSFET，從而實(shí)現(xiàn)雙向電壓和電流阻斷。每個(gè)MOSFET均由多個(gè)芯片并聯(lián)組成，以實(shí)現(xiàn)額定電流和低導(dǎo)通電阻。對(duì)于單向電池?cái)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān)，兩個(gè)MOSFET在功率模塊外部并聯(lián)連接。 為了使芯片保持較低的運(yùn)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(lái)說(shuō)，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(zhǎng)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(guò)DO-160認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)SP3F和SP6C封裝以及高可靠性無(wú)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(zhǎng)期可靠性之外，電路中斷器件的另一個(gè)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)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(wú)負(fù)載機(jī)械開(kāi)關(guān)循環(huán)，極少指定電氣負(fù)載開(kāi)關(guān)循環(huán)。系統(tǒng)中的電感會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)間產(chǎn)生電弧，進(jìn)而在電流斷開(kāi)時(shí)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(duì)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?yàn)樵谳^高的短路電流下，觸點(diǎn)可能會(huì)熔接關(guān)斷。固態(tài)電池?cái)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān)不會(huì)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(duì)于管理中斷高電流時(shí)存在的感應(yīng)能量來(lái)說(shuō)，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(shí)系統(tǒng)中電流的平方成正比。開(kāi)關(guān)輸出端子發(fā)生短路會(huì)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(lái)說(shuō)，800V母線電壓和5 μH的源電感會(huì)導(dǎo)致電流以每微秒160A的速度增加。5 μs的檢測(cè)和響應(yīng)時(shí)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(lái)吸收這種感應(yīng)能量以保護(hù)模塊。但是，當(dāng)經(jīng)過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)以滿足爬電距離和間隙要求時(shí)，緩沖電路引入的寄生效應(yīng)會(huì)進(jìn)一步限制其有效性。因此，開(kāi)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(guò)應(yīng)力和電流突然下降。采用低電感設(shè)計(jì)的模塊有助于進(jìn)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(huì)帶來(lái)觸發(fā)寄生NPN或晶閘管的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致無(wú)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(huì)導(dǎo)致每個(gè)芯片在關(guān)斷過(guò)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(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)和測(cè)試，具有非鉗位電感開(kāi)關(guān)（UIS）耐受性，可在緩沖電路或鉗位電路的性能開(kāi)始下降時(shí)提供額外的安全裕度。圖3給出了與市場(chǎng)上其他SiC器件的單觸發(fā)和重復(fù)UIS性能對(duì)比。
圖3，單觸發(fā)（左）和重復(fù)（右）雪崩能量性能 盡管應(yīng)了解器件級(jí)抗短路能力，并且IGBT的器件級(jí)抗短路能力確實(shí)比MOSFET更出色，但在實(shí)際系統(tǒng)中會(huì)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(dá)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(jì)。為了設(shè)計(jì)出外型小巧的高性價(jià)比緩沖電路，允許的系統(tǒng)級(jí)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范圍內(nèi)。例如，在由9個(gè)芯片并聯(lián)組成并設(shè)計(jì)用于防止短路電流超過(guò)1350A的500A電池?cái)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān)中，每個(gè)芯片導(dǎo)通150安培的電流（假定電流均勻分布）。這比器件級(jí)短路測(cè)試中的電流要低得多，器件級(jí)短路測(cè)試期間的電流會(huì)超過(guò)幾百安培。電壓鉗位器件的優(yōu)化是穩(wěn)健型固態(tài)電池?cái)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 其他設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 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(jì)注意事項(xiàng)，其中包括電流檢測(cè)技術(shù)、過(guò)流檢測(cè)和保護(hù)以及功能安全。對(duì)于低寄生電感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，是否使用電流檢測(cè)電阻或磁性技術(shù)進(jìn)行電流檢測(cè)的決策非常重要，因?yàn)榭焖俚捻憫?yīng)時(shí)間至關(guān)重要。是否使用硬件、軟件或兩者結(jié)合進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)也是一項(xiàng)重要的決策，尤其是在需要滿足功能安全要求時(shí)。 以上討論了關(guān)于固態(tài)電池?cái)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān)中高電壓功率器件的選擇和設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵方面。與傳統(tǒng)機(jī)械斷開(kāi)開(kāi)關(guān)相比，固態(tài)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)之所以具有系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)，關(guān)鍵在于碳化硅和功率半導(dǎo)體封裝的優(yōu)勢(shì)。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(shí)現(xiàn)許多系統(tǒng)中所需的低導(dǎo)通損耗，同時(shí)還可以采用保證高可靠性的材料。 |
