开云-基于SiC的高电压电池断开开关的设计注意事项

[导读]得益在固态电路庇护，直流母线电压为400V或以上的电气系统（由单相或三相电网电源或储能系统（ESS）供电）可晋升本身的靠得住性和弹性。在设计高电压固态电池断开开关时，需要斟酌几项根基的设计决议计划。此中要害身分包罗半导体手艺、器件类型、热封装、器件耐用性和电路中止时代的感应能量治理。在本文中，我们将会商在选择功率半导体手艺和界说高电压、高电流电池断开开关的半导体封装时的一些设计留意事项，和表征系统的寄生电感和过流庇护限值的主要性。 得益在固态电路庇护，直流母线电压为400V或以上的电气系统（由单相或三相电网电源或储能系统（ESS）供电）可晋升本身的靠得住性和弹性。在设计高电压固态电池断开开关时，需要斟酌几项根基的设计决议计划。此中要害身分包罗半导体手艺、器件类型、热封装、器件耐用性和电路中止时代的感应能量治理。在本文中，我们将会商在选择功率半导体手艺和界说高电压、高电流电池断开开关的半导体封装时的一些设计留意事项，和表征系统的寄生电感和过流庇护限值的主要性。 宽带隙半导体手艺的优势 在选择最好半导体材料时，应斟酌多项特征。方针是打造兼具最小导通电阻、最小关断泄露电流、高电压阻断能力和高功率能力的开关。图1显示了硅（Si）、碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）三种半导体材料的特征。SiC和GaN的电击穿场年夜约是硅的十倍。这使得设计漂移区厚度为等效硅器件十分之一的器件成为可能，由于漂移区厚度与电击穿场成反比。另外，漂移区的电阻与电击穿场的立方成反比。这使得漂移区电阻下降了近1000倍。在固态开关利用中，所有消耗都是导通消耗，高电击穿场是一项显著的优势。另外，电阻下降还意味着无需担忧动态闩锁问题，不然较高的dV/dt瞬变可能会别离触发硅功率MOSFET和IGBT中的寄生NPN晶体管或晶闸管。 图1、Si、SiC和GaN三种材料的特征 碳化硅的热导率是Si和GaN的三倍，可显著提高芯片散热能力，使其运行温度更低并简化热设计。或，对等效方针结温来讲，这意味着撑持更高的工作电流。更高的热导率搭配高电击穿场可以下降导通电阻，从而进一步简化热设计。 碳化硅是一种宽带隙（WBG）半导体材料，其能隙几近是硅的三倍，是以可以或许在更高的温度下工作。半导体在高温情况下将没法阐扬半导体的功能。更宽的能隙使得碳化硅可以或许在超出跨越硅几百摄氏度的温度下正常工作，由于其自由载流子的浓度较低。可是，基在现今手艺的其他身分（如封装和栅极氧化层泄露）将器件的最年夜持续结温限制在175°C。WBG手艺的另外一项优势是其关断泄露电流较低。 斟酌到以上特征，碳化硅是该利用的最好半导体材料。 以下器件类型之间的差别：IGBT、MOSFET和JFET 晶体管的类型是下一个要害身分。年夜大都环境下，导通消耗是需要面对的最年夜设计挑战。为了知足系统的热要求，应最年夜限度地削减导通消耗。一些系统采取液体冷却，而其他系统可能利用强迫风冷或依托天然对流。除年夜限度地削减导通消耗以外，还必需将压降连结在最低程度，以便最年夜限度地提高所有工作点（包罗轻载前提）的效力。这对电池供电系统尤其主要。很多系统（包罗直流系统）中还一个主要身分，即电流都是双向的。凡是需要兼具低导通消耗、低压降和反领导通能力的晶体管。可以斟酌的晶体管凡是包罗IGBT、MOSFET和JFET。 虽然IGBT在峰值负载电流下的导通消耗与MOSFET相当，但一旦负载电流减小，基在IGBT的解决方案就会变得效力低下。这是由于压降由两部门构成：一部门压降接近恒定，与集电极电流无关；另外一部门压降与集电极电流成正比。利用MOSFET时，压降与源电流成正比。它没有IGBT的开消，这使得所有工作点（包罗轻载前提）都能实现高效力。MOSFET答应第一象限和第三象限的通道导通，这意味着电流可以正向和反向流过器件。MOSFET在第三象限工作有一个额外的益处，即其导通电阻凡是比在第一象限略低。而IGBT仅在第一象限导通电流，而且需要经由过程反并联二极管来实现反向电流导通。JFET是一种旧手艺，但今朝正在中兴，它既可以正领导通也能够反领导通，而且与MOSFET一样，其压降与漏极电流成正比。JFET与MOSFET的分歧的地方在在它是一种耗尽型器件。也就是说，JFET属在常开器件，需要经由过程栅极偏置来按捺电流的活动。这给设计人员在斟酌系统故障前提时带来了挑战。作为一种变通方式，可使用包罗串连低电压硅MOSFET的共源共栅设置装备摆设来实现常闭器件。串连硅器件的插手增添了复杂度，进而减弱了JFET在高电流利用中的一些优势。SiC MOSFET属在常闭器件，兼具很多系统中所需的低电阻和可控性。 热封装 SiC功率模块可实现高级此外系统优化，这很难经由过程并联分立MOSFET来实现。Microchip的mSiC™模块具有多种设置装备摆设和电压和电流额定值。此中包罗共源设置装备摆设，该设置装备摆设以反串连的体例毗连两个SiC MOSFET，从而实现双向电压和电流阻断。每一个MOSFET均由多个芯片并联构成，以实现额定电流和低导通电阻。对单向电池断开开关，两个MOSFET在功率模块外部并联毗连。 为了使芯片连结较低的运行温度，需要较低的导通电阻和热阻。模块中利用的材料是决议结至外壳热阻和其靠得住性的根基要素。具体来讲，芯片粘接、基板和底板材料特征是构成模块热阻的首要身分。选择高热导率的材料有助在最年夜限度地下降热阻和结温。除热机能以外，选择热膨胀系数（CTE）慎密匹配的材料可以下降材料界面和内部的热应力，从而耽误模块的利用寿命。表1汇总了这些热特征。氮化铝（AlN）基板和铜（Cu）底板是mSiC功率模块的标配。氮化硅（Si3N4）基板和铝碳化硅（AlSiC）底板的靠得住性更高。图2给出了采取经由过程DO-160认证的尺度SP3F和SP6C封装和高靠得住性无底板BL1和BL3封装的共源功率模块。 图2. 采取共源设置装备摆设的Microchip mSiC™模块 器件耐用性和系统电感 除模块的热机能和持久靠得住性以外，电路中止器件的另外一个设计留意事项是高感应能量。继电器和接触器的轮回次数是有限的。它们凡是指定无负载机械开关轮回，少少指定电气负载开关轮回。系统中的电感会致使触点间发生电弧，进而在电流断开时致使机能降落。是以，电气轮回额定值的工作前提被明白界说，并对其寿命有很年夜影响。即使如斯，在利用接触器或继电器的系统中依然需要毗连上游熔丝，由于在较高的短路电流下，触点可能会熔接关断。固态电池断开开关不会遭到这类机能降落的影响，是以有助在打造靠得住性更高的系统。虽然如斯，对治理中止高电流时存在的感应能量来讲，领会系统的寄生和负载电感与电容也是相当主要的。 感应能量与电感和中止时系统中电流的平方成正比。开关输出端子产生短路会致使电流快速增添，其上升速度等在电池电压与源电感之比。举例来讲，800V母线电压和5 µH的源电感会致使电流以每微秒160A的速度增添。5 µs的检测和响应时候将致使电路中发生800A的额外电流。因为不建议在雪崩模式下操作SiC功率模块，是以需要利用缓冲电路或钳位电路来接收这类感应能量以庇护模块。可是，当颠末恰当设计以知足爬电距离和间隙要求时，缓冲电路引入的寄生效应会进一步限制其有用性。是以，开关应足够迟缓地关断，以限制模块内部电感引发电压过应力和电流忽然降落。采取低电感设计的模块有助在进一步最年夜限度地下降该电压应力。 在硅功率器件中，高电流的快速中止会带来触发寄生NPN或晶闸管的风险，进而致使没法节制的闩锁并终究激发故障。在SiC器件上，很是快速的关断可能会致使每一个芯片在关断进程中产生低能量雪崩击穿，直到缓冲电路或钳位电路接收失落高能量为止。Microchip的mSiC MOSFET颠末专门设计和测试，具有非钳位电感开关（UIS）耐受性，可在缓冲电路或钳位电路的机能最先降落时供给额外的平安裕度。图3给出了与市场上其他SiC器件的单触发和反复UIS机能对照。 图3，单触发（左）和反复（右）雪崩能量机能 虽然应领会器件级抗短路能力，而且IGBT的器件级抗短路能力确切比MOSFET更超卓，但在现实系统中会晤临分歧的应力前提。因为系统电感固有的限流特征，模块不太可能到达其短路电流额定值。限制身分为缓冲电路或钳位电路设计。为了设计出外型小巧的高性价比缓冲电路，答应的系统级峰值短路电流将被限制在远低在模块短路电流额定值的规模内。例如，在由9个芯片并联构成并设计用在避免短路电流跨越1350A的500A电池断开开关中，每一个芯片导通150安培的电流（假定电流平均散布）。这比器件级短路测试中的电流要低很多，器件级短路测试时代的电流会跨越几百安培。电压钳位器件的优化是稳健型固态电池断开开关设计的要害环节。 其他设计留意事项 除功率器件以外，还一些与节制电子器件相干的设计留意事项，此中包罗电流检测手艺、过流检测和庇护和功能平安。对低寄生电感系统的设计来讲，是不是利用电流检测电阻或磁性手艺进行电流检测的决议计划很是主要，由于快速的响应时候相当主要。是不是利用硬件、软件或二者连系进行过流检测也是一项主要的决议计划，特别是在需要知足功能平安要求时。 以上会商了关在固态电池断开开关中高电压功率器件的选择和设计的一些要害方面。与传统机械断开开关比拟，固态断开开关之所以具有系统级优势，要害在在碳化硅和功率半导体封装的优势。得益在碳化硅手艺，器件此刻可以或许兼具较低的导通电阻和热阻，从而实现很多系统中所需的低导通消耗，同时还可以采取包管高靠得住性的材料。

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来历：Microchip

作者：Microchip Technology Inc.碳化硅营业部资深参谋级利用工程师Ehab Tarmoom

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