【導(dǎo)讀】DC總線電壓為400 V或更大的電氣系統(tǒng)，由單相或三相電網(wǎng)功率或儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）提供動(dòng)力，可以通過(guò)固態(tài)電路保護(hù)提高其可靠性和彈性。在設(shè)計(jì)高壓固態(tài)電池?cái)嚅_(kāi)連接開(kāi)關(guān)時(shí)，需要考慮一些基本的設(shè)計(jì)決策。關(guān)鍵因素包括半導(dǎo)體技術(shù)，設(shè)備類型，熱包裝，設(shè)備堅(jiān)固性以及在電路中斷期間管理電感能量。本文討論了選擇功率半導(dǎo)體技術(shù)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，并為高壓，高電流電池?cái)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān)定義了半導(dǎo)體包裝，以及表征系統(tǒng)寄生電感和過(guò)度流動(dòng)保護(hù)限制的重要性。
DC總線電壓為400 V或更大的電氣系統(tǒng)，由單相或三相電網(wǎng)功率或儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）提供動(dòng)力，可以通過(guò)固態(tài)電路保護(hù)提高其可靠性和彈性。在設(shè)計(jì)高壓固態(tài)電池?cái)嚅_(kāi)連接開(kāi)關(guān)時(shí)，需要考慮一些基本的設(shè)計(jì)決策。關(guān)鍵因素包括半導(dǎo)體技術(shù)，設(shè)備類型，熱包裝，設(shè)備堅(jiān)固性以及在電路中斷期間管理電感能量。本文討論了選擇功率半導(dǎo)體技術(shù)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，并為高壓，高電流電池?cái)嚅_(kāi)開(kāi)關(guān)定義了半導(dǎo)體包裝，以及表征系統(tǒng)寄生電感和過(guò)度流動(dòng)保護(hù)限制的重要性。
寬帶半導(dǎo)體技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
需要仔細(xì)考慮以選擇的半導(dǎo)體材料以實(shí)現(xiàn)具有的狀態(tài)阻力，的離狀態(tài)泄漏電流，高電壓阻滯功能和高功率能力的開(kāi)關(guān)。圖1顯示了硅（SI），碳化硅（SIC）和氮化殼（GAN）的半導(dǎo)體材料特性。 SIC和GAN的電擊球場(chǎng)大約是硅的十倍。這使得具有等效級(jí)硅設(shè)備厚度的漂移區(qū)域的設(shè)備的設(shè)計(jì)是其厚度的十分之一，因?yàn)槠浜穸扰c電擊穿場(chǎng)成反比。此外，漂移區(qū)域的電阻與分解場(chǎng)的立方體成反比。這導(dǎo)致較低的漂移區(qū)域阻力降低了近1000倍。在所有損失都是傳導(dǎo)損失的固態(tài)開(kāi)關(guān)應(yīng)用程序中，高電擊穿場(chǎng)是一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)。這種降低的電阻還消除了動(dòng)態(tài)閂鎖問(wèn)題的擔(dān)憂，在硅功率MOSFET和IGBT中，高DV/DT瞬變分別可能觸發(fā)寄生NPN晶體管或晶狀體。
圖1。SI ，SIC和GAN材料特性。圖像由Bodo的Power Systems [PDF]提供
碳化硅的導(dǎo)熱率是SI和GAN的三倍，顯著提高了從芯片中抽出熱量的能力，從而使其能夠運(yùn)行冷卻器并簡(jiǎn)化熱設(shè)計(jì)。另外，對(duì)于等效目標(biāo)連接溫度，它允許更高的電流操作。較高的熱導(dǎo)率與高電動(dòng)分解場(chǎng)相結(jié)合，導(dǎo)致抗性較低，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了熱設(shè)計(jì)。
碳化硅是一種寬帶gap（WBG）半導(dǎo)體材料，其能量隙幾乎是硅的三倍，可實(shí)現(xiàn)更高溫度的運(yùn)行。半導(dǎo)體在升高的溫度下停止充當(dāng)半導(dǎo)體。較大的能量隙使碳化硅碳化硅的運(yùn)行攝入比硅高幾百度，因?yàn)樽杂呻姾奢d體的濃度較低。但是，基于當(dāng)今技術(shù)的其他因素（例如，包裝，門(mén)氧化物泄漏）將設(shè)備的連接溫度限制為175°C。 WBG技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它提供了較低的州泄漏電流。
考慮到這些特征，碳化硅是該應(yīng)用的半導(dǎo)體材料。
IGBT，MOSFET和JFET之間的差異
晶體管的類型是下一個(gè)關(guān)鍵因素。在大多數(shù)情況下，傳導(dǎo)損失提出了的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。應(yīng)將傳導(dǎo)損耗化以滿足系統(tǒng)的熱要求。液體冷卻在某些系統(tǒng)中可用，而另一些系統(tǒng)可以使用強(qiáng)迫空氣或依靠自然對(duì)流。除了的傳導(dǎo)損失外，還必須將電壓下降保持在限度，以地提高所有操作點(diǎn)的效率，包括照明條件。這在電池動(dòng)力系統(tǒng)中尤為重要。在包括直流系統(tǒng)在內(nèi)的許多系統(tǒng)中，另一個(gè)重要因素是雙向電流流。通常需要具有低傳導(dǎo)損耗，低壓下降和反向傳導(dǎo)能力的晶體管。通常考慮的晶體管是IGBT，MOSFET和JFET。
雖然IGBT在峰值負(fù)載電流下提供可比的傳導(dǎo)損失作為MOSFET，但一旦負(fù)載電流降低，基于IGBT的溶液的效率就會(huì)降低。這是因?yàn)殡妷合陆涤蓛蓚€(gè)組件組成：一個(gè)近恒定電壓下降，與收集器電流無(wú)關(guān)，并且與收集器電流成正比的電壓下降。使用MOSFET，電壓下降與源電流成正比。它沒(méi)有IGBT的開(kāi)銷，這可以在所有操作點(diǎn)（包括燈負(fù)載條件）上具有很高的效率。 MOSFET允許在象限和第三象限中傳導(dǎo)通道傳導(dǎo)，這意味著電流可以以前和反向方向流過(guò)設(shè)備。 MOSFET的第三季度操作的另一個(gè)好處是，它的狀態(tài)阻力通常比個(gè)象限略低。而IGBT僅在個(gè)象限中引導(dǎo)電流，并且需要一個(gè)反行二極管才能反向電流傳導(dǎo)。 JFET是一種較舊的技術(shù)，但進(jìn)行了復(fù)興，可以在前進(jìn)和反向傳導(dǎo)中起作用，并且像MOSFET一樣，電壓降低與排水管成正比。它與MOSFET不同的地方是它是耗盡模式的設(shè)備。也就是說(shuō)，JFET通常處于打開(kāi)狀態(tài)，需要柵極偏置以抑制電流的流動(dòng)。在考慮系統(tǒng)故障條件時(shí)，這給設(shè)計(jì)師帶來(lái)了實(shí)際挑戰(zhàn)。作為解決方法，可以使用包括一系列低壓硅MOSFET的級(jí)聯(lián)配置來(lái)實(shí)現(xiàn)正常的設(shè)備。系列硅設(shè)備的添加增加了復(fù)雜性，這減少了JFET在高電流應(yīng)用中的一些優(yōu)勢(shì)。 SIC MOSFET是一種通常的設(shè)備，在許多系統(tǒng)中提供了所需的低阻力和可控性。
熱包裝
SIC功率模塊可以實(shí)現(xiàn)高水平的系統(tǒng)優(yōu)化，而離散的MOSFET很難實(shí)現(xiàn)。 Microchip的MSIC模塊可在一系列配置，電壓和當(dāng)前評(píng)分中獲得。其中包括通用源配置，該配置將兩個(gè)SIC MOSFET連接在反系列配置中以允許雙向電壓和電流阻斷。每個(gè)MOSFET都由并行連接的多個(gè)芯片組成，以達(dá)到額定的電流和低國(guó)家電阻。對(duì)于單向電池?cái)嚅_(kāi)連接開(kāi)關(guān)，兩個(gè)MOSFET與功率模塊并行連接。
需要低的州電阻和低熱阻力來(lái)保持芯片涼爽。模塊中使用的材料是確定從連接到情況的熱電阻及其可靠性的重要元素。具體而言，模板，基材和基本材料的特性是模塊熱電阻的主要因素。選擇表現(xiàn)出較高熱導(dǎo)率的材料有助于地減少熱電阻和連接溫度。除熱性能外，選擇具有密切匹配的熱膨脹系數(shù)（CTE）的材料還可以通過(guò)減少材料界面和內(nèi)部的熱應(yīng)力來(lái)增加模塊的壽命。表1總結(jié)了這些熱特性。氮化鋁（ALN）底物和銅（CU）基礎(chǔ)底物是MSIC功率模塊的標(biāo)準(zhǔn)配置。氮化硅（SI 3 N 4）底物和鋁碳化硅（ALSIC）基礎(chǔ)底板的期權(quán)可提供更高的可靠性。圖2中是標(biāo)準(zhǔn)SP3F和SP6C軟件包中的通用功率模塊，以及具有DO-160資格的高可易度底板BL1和BL3軟件包。
設(shè)備堅(jiān)固性和系統(tǒng)電感
除了模塊的熱性能和長(zhǎng)期可靠性外，電路中斷設(shè)備中的另一個(gè)設(shè)計(jì)考慮因素是高電感能量。繼電器和接觸器的周期數(shù)量有限。它們通常用卸載的機(jī)械切換循環(huán)指定，并且電氣加載循環(huán)較少。系統(tǒng)中的電感導(dǎo)致跨觸點(diǎn)的弧形，從而在電流損壞時(shí)會(huì)降解。因此，電氣周期額定值的工作條件是明確定義的，并且對(duì)其壽命具有很大的影響。即使那樣，在帶有接觸器或繼電器的系統(tǒng)中仍需要上游保險(xiǎn)絲，因?yàn)榻佑|時(shí)可能會(huì)焊接在高空短路電流時(shí)焊接。固態(tài)電池?cái)嚅_(kāi)連接開(kāi)關(guān)不會(huì)遭受這種降解，從而實(shí)現(xiàn)了更高的可靠性系統(tǒng)。盡管如此，了解系統(tǒng)的寄生和負(fù)載電感和電容對(duì)于管理中斷高電流時(shí)存在的電感能量也至關(guān)重要。
圖2。Microchip 的MSIC模塊中的通用源配置。圖像由Bodo的Power Systems [PDF]提供
電感能量與中斷時(shí)系統(tǒng)中電流的電感和平方成正比。開(kāi)關(guān)輸出端子處的短路會(huì)導(dǎo)致電流快速增加，以電池電壓與源電感的比率的速率上升。例如，具有5微源源電感的800 V總線電壓導(dǎo)致電流以每微秒160 a的速率增加。一個(gè)5微秒的響應(yīng)時(shí)間來(lái)檢測(cè)和響應(yīng)將導(dǎo)致電路中的額外電流為800 a。由于不建議在雪崩模式下操作SIC功率模塊，因此需要使用這種電感能量來(lái)保護(hù)模塊。但是，在適當(dāng)設(shè)計(jì)以滿足蠕變和清除要求時(shí)，引入了寄生蟲(chóng)，進(jìn)一步限制了其有效性。因此，開(kāi)關(guān)應(yīng)足夠緩慢地關(guān)閉，以限制電壓超重，并從模塊的內(nèi)部電感上和電流突然下降。具有低電感的模塊有助于進(jìn)一步地減少這種電壓應(yīng)力。
在硅電源設(shè)備中，高電流的快速中斷引入了觸發(fā)寄生蟲(chóng)或晶閘管的風(fēng)險(xiǎn)，這導(dǎo)致無(wú)法控制的閂鎖和終失敗。在SIC設(shè)備上，一個(gè)非常快速的關(guān)閉可能會(huì)導(dǎo)致每個(gè)芯片中的雪崩崩潰，直到Snubber或夾具吸收高能量為止。 Microchip的MSIC MOSFET經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)和測(cè)試，以進(jìn)行無(wú)貼壓的電感開(kāi)關(guān)（UIS）堅(jiān)固性，隨著Snubber或夾具開(kāi)始降級(jí)，提供了額外的安全保證金。圖3顯示了與市場(chǎng)上其他SIC設(shè)備相比，單發(fā)和重復(fù)的UIS性能。
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