用SiC FET固态断路器取代机械断路器可行吗？

机械断路器损耗低，但是速度慢而且会磨损。采用SiC FET的固态断路器可以解决这些问题且其损耗开始降低。

工程界有一句谚语：“会动的就会断。”我们都知道，机械部件通常是第一个出故障的，比如风扇或继电器，而在电路系统中，您需要一套进行前瞻性维护和更换这些部件的程序来“以防万一”。当机械部件在正常运行时的应力水平高，然后必须在紧急情况下做出可靠反应时，情况会更糟，例如与电动车电池串联的接触式断路器。

在这种情况下，运行电流可能达到数百安，而在断路器必须切断的短路情况下，电流可能达到数千安。电压很高，通常高于400V直流电，而且在故障电流中断时，由于连接电感，电压峰值还会更高。电压会造成电弧，电弧会让断路器触点汽化，而且由于是直流电，电弧会持续存在，还不像交流电一样存在能消除电弧的零点交叉。接通和断开的速度也慢，需要数十毫秒，从而允许在短路情况下通过能造成损坏的能量。随着断路器老化，它还会变得更慢，损耗更大。总而言之，大电流机械断路器面对着重重困难，因此必须打造得很坚固，有时还要使用奇特的方法清除电弧，如制造多股压缩气体气流或使用磁性灭弧线圈。

自然而然地，人们设计出了固态断路器（SSCB）作为替代方案，并使用几乎所有可用的半导体技术进行制造，包括从MOSFET到IGBT、SCR和IGCT。它们很好地解决了电弧和机械磨损问题。它们的严重缺点在于压降，以IGBT为例，它在500A下可能会产生1.7V压降，从而造成糟糕的850W损耗。IGCT的压降可能较低，但是体积很大。MOSFET没有IGBT那样的“膝点”电压，但是有导通电阻。为了在IGBT基础上进行改进，该RDS(on)可能需要小于3.4毫欧，且额定电压高于400V，而目前还无法用单个MOSFET实现这一要求。多个MOSFET并联可以实现这一要求，但是成本也会剧增，而且如果您需要双向导电能力，则成本还会翻倍。机电断路器不便宜，但是仍具有成本优势。

SiC会带来改变吗？

神奇的新宽带隙半导体技术能弥补不足吗？在相同的晶粒面积下，碳化硅开关的导通电阻大约比硅好10倍，而且它的导热系数也好得多，能让热量散发出去，从而能应对双倍的最高温度。这让人们能够在小封装中并联足够的晶粒以在充当固态断路器的IGBT基础上进行改进，而SiC FET是理想的候选技术。SiC JFET和Si-MOSFET的共源共栅结构易于驱动，具有在当前开关技术中十分出众的RDS(on) x A 性能表征。作为固态断路器的论证者，UnitedSiC在1200V和300A额定值的SOT-227封装中将六个自己生产的1200V双栅极晶粒并联，实现了2.2毫欧电阻。在测试中，该原型安全地中断了接近2000A的故障电流，波形见图示。

【图1. SiC FET固态断路器安全地中断接近2000A的电流】

如果内部JFET栅极显露出来并连接到单独的针脚，则可以在快速开关应用中对边缘速率进行更直接的控制，并提供固态断路器等部分应用中可能需要的高效、可选常关或常开运行。略微正向偏移JFET栅极的能力也会稍稍提高导通电阻。不过另一个特征会显现出来，那就是在正2V左右以上，沟道会完全导电，栅极会充当正向偏压二极管。现在，如果注入固定小电流，则二极管的实际膝点电压与晶粒温度会有精确的关联。这一特征可以被测量，并用于执行快速超温检测，如果记录温度趋势，甚至可以实现长期运行状况检测。

SiC FET固态断路器取代机电断路器的趋势不断加强

SiC FET打开了大电流的固态断路器应用的大门，且其损耗只会随着技术进步而降低。并联器件有可能会让最终损耗与机械断路器相当，且成本不一定会成为阻碍因素，因为晶粒会发展，实现给定电阻所需的晶粒会减少。在未来几年，由于电动车销量促使断路器市场膨胀而带来的规模经济效应，SiC晶圆成本必然会减半。考虑到机电解决方案的维护和替换成本，采用该器件会更有吸引力。

工程领域还有一句谚语：“如果没坏，就不要去修。”我要说，不要等到它损坏，试试用SiC FET固态断路器打造一个让人放心的解决方案。