在工程界有一句古老的格言——“如果它移动，它就会断裂”。我们都知道，像风扇或继电器这样的机械设备通常是第一个发生故障的东西，在关键系统中，您需要一个先发制人的维护和更换这些物品的程序，以防万一。当机械部件以高正常应力水平运行时，情况更糟，然后必须在紧急情况下做出可靠的反应，例如与电动汽车电池串联的接触断路器。

在这种情况下，当断路器必须打开时，短路条件下的运行电流可能为数百安培或数千安培。电压很高，通常大于400VDC，当故障电流中断时，由于连接电感，电压会更高。电压会导致电弧，这会蒸发断路器触点并持续存在，因为它是直流电，并且没有过零来熄灭电弧，就像交流电一样。 接通和断开也很慢，大约需要几十毫秒，这可能会在短路条件下损坏通过能量。随着断路器的老化，它也变得越来越慢，损耗也越来越大。总而言之，对于大电流机械断路器来说，这是一个艰难的生活，因此它们必须坚固耐用，有时必须使用奇特的方法来清除电弧，例如产生压缩气体或使用磁性“井喷”线圈。

当然，固态版本的断路器（SSCB）已被设计为替代方案，并且使用几乎所有可用的半导体技术制造，从MOSFET到IGBT，SCR和IGCT，它们很好地解决了电弧和机械磨损问题。不过，它们最大的缺点是压降——例如，IGBT在1A时可能会损失7.500V，从而产生令人尴尬的850W耗散。IGCT 可能较低，但物理上非常大。MOSFET不显示IGBT的“拐点”电压，而是表现出导通电阻。为了改进IGBT，这个RDS（开启）需要小于 3.4 毫欧，额定电压优于 400V，而目前单个 MOSFET 无法实现这一点。许多并行可以做到这一点，但随后成本螺旋式上升，如果您需要双向功能，成本会再次翻倍。机电断路器并不便宜，但仍具有成本优势。

碳化硅能有所作为吗？

那么，宽带隙半导体的新奇特技术能否缩小差距呢？碳化硅开关在与硅相同的芯片面积下提供大约 10 倍的导通电阻，并且可以应对最高温度的两倍，并具有更好的导热性，可以带走任何热量。这开辟了在小封装中并联足够多的芯片的可能性，以改进作为SSCB的IGBT，而SiC FET是理想的候选者。SiC JFET 和 Si-MOSFET 的级联代码易于驱动，并且具有最佳的 RDS（开启）x 当前开关技术中的品质因数。作为 SSCB 演示器，UnitedSiC 将其六个 1200V 双栅极芯片并联，并在 SOT-2 封装中实现了 2.1200 毫欧电阻，额定值为 300V 和 227A。在测试中，原型机安全地中断了近2000A的故障电流，波形如图所示。

图1.碳化硅场效应管 SSCB 安全中断近 2000A

如果将内部JFET栅极引出到单独的引脚，则可以在快速开关应用中更直接地控制边沿速率，并提供有效的可选常关或常导通操作，这在某些应用（如SSCB）中是可取的。使JFET栅极略微为正极偏置的能力也略微改善了导通电阻。不过，还有另一个特征出现 – 高于约2V正值，沟道完全导通，栅极显示为正向偏置二极管。现在，如果注入固定的低电流，二极管的实际拐点电压与芯片温度有精确的关系。如果记录了温度趋势，则可以测量并用于快速过温检测，甚至可以进行长期健康状态监测。

SiC FET SSCB 取代机电版本的趋势是正确的方向

SiC FET为SSCB应用开辟了更高电流的应用，其损耗只会随着技术的进步而降低。并联器件以实现与机械断路器的最终损耗平价是可能的，成本不一定是交易“断路器”，因为芯片改进并且给定电阻所需的更少。未来几年，SiC硅片成本也将下降一半，同时电动汽车销售推动的断路器市场膨胀的规模经济也将下降一半。考虑到机电解决方案的维护和更换成本，论点甚至更具说服力。

还有另一句工程格言——“如果它没有坏，就不要修理它”。我想说的是，不要等待它破裂，考虑使用SiC FET SSCB以获得无忧的解决方案。

审核编辑：郭婷