【導讀】如今，碳化矽 (SiC) 器件在電動汽車 (EV) 和太陽能光伏 (PV) 應用中帶來的性能優勢已經得到了廣泛認可。不過
，SiC 的(de)材(cai)料(liao)優(you)勢(shi)還(hai)可(ke)能(neng)用(yong)在(zai)其(qi)他(ta)應(ying)用(yong)中(zhong)，其(qi)中(zhong)包(bao)括(kuo)電(dian)路(lu)保(bao)護(hu)領(ling)域(yu)。本(ben)文(wen)將(jiang)回(hui)顧(gu)該(gai)領(ling)域(yu)的(de)發(fa)展(zhan)，同(tong)時(shi)比(bi)較(jiao)機(ji)械(xie)保(bao)護(hu)和(he)使(shi)用(yong)不(bu)同(tong)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)實(shi)現(xian)的(de)固(gu)態(tai)斷(duan)路(lu)器(qi) (SSCB) 的優缺點。最後，本文還將討論為什麼 SiC 固態斷路器日益受到人們青睞。

如今，碳化矽 (SiC) 器件在電動汽車 (EV) 和太陽能光伏 (PV) 應用中帶來的性能優勢已經得到了廣泛認可。不過，SiC 的(de)材(cai)料(liao)優(you)勢(shi)還(hai)可(ke)能(neng)用(yong)在(zai)其(qi)他(ta)應(ying)用(yong)中(zhong)
，其(qi)中(zhong)包(bao)括(kuo)電(dian)路(lu)保(bao)護(hu)領(ling)域(yu)。本(ben)文(wen)將(jiang)回(hui)顧(gu)該(gai)領(ling)域(yu)的(de)發(fa)展(zhan)，同(tong)時(shi)比(bi)較(jiao)機(ji)械(xie)保(bao)護(hu)和(he)使(shi)用(yong)不(bu)同(tong)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)實(shi)現(xian)的(de)固(gu)態(tai)斷(duan)路(lu)器(qi) (SSCB) 的優缺點。最後
，本文還將討論為什麼 SiC 固態斷路器日益受到人們青睞。

保護電力基礎設施和設備

shupeidianxitongyijilingminshebeidouxuyaotuoshandebaohu，yifangyinweichangshijianguozaiheshuntaiduanluqingkuangershoudaosunhuai。suizhedianlixitonghediandongqicheshiyongdedianyayuelaiyuegao，kenengdezuidaguzhangdianliuyebiyiwangrenheshihoudougenggao。weilezhenduizhexiegaodianliuguzhangtigongbaohu
，womenxuyaochaokuaisujiaoliuhezhiliuduanluqi。guoqu，jixieduanluqiyizhishicileiyingyongdezhuyaoxuanze，ranersuizhegongzuoyaoqiuyuelaiyueyanke，gutaiduanluqiyuelaiyueshoudaohuanying。xiangjiaoyujixieduanluqi
，gutaiduanluqijuyouxuduoyoushi：

·穩健性和可靠性：機ji械xie斷duan路lu器qi內nei含han活huo動dong部bu件jian
，因yin此ci相xiang對dui易yi於yu受shou損sun。這zhe意yi味wei著zhe它ta們men容rong易yi損sun壞huai或huo因yin為wei運yun動dong而er意yi外wai自zi動dong斷duan開kai，並bing且qie在zai使shi用yong期qi間jian，每mei次ci複fu位wei都dou會hui出chu現xian磨mo損sun。相xiang比bi之zhi下xia，固gu態tai斷duan路lu器qi不bu含han活huo動dong部bu件jian
，因yin此ci更geng加jia穩wen健jian可ke靠kao，也ye不bu太tai容rong易yi出chu現xian意yi外wai損sun壞huai
，因yin此ci能neng夠gou反fan複fu進jin行xing數shu千qian次ci斷duan開kai/閉合操作。

·溫度靈活性：機ji械xie斷duan路lu器qi的de工gong作zuo溫wen度du取qu決jue於yu其qi製zhi造zao材cai料liao，因yin此ci在zai工gong作zuo溫wen度du方fang麵mian存cun在zai一yi定ding的de限xian製zhi。相xiang比bi之zhi下xia
，固gu態tai斷duan路lu器qi的de工gong作zuo溫wen度du更geng高gao並bing且qie可ke以yi調tiao節jie，因yin此ci它ta能neng夠gou更geng加jia靈ling活huo地di適shi應ying不bu同tong的de工gong作zuo環huan境jing。

·遠程配置：機ji械xie斷duan路lu器qi在zai跳tiao閘zha後hou需xu要yao人ren工gong手shou動dong複fu位wei，這zhe可ke能neng非fei常chang耗hao時shi且qie成cheng本ben高gao昂ang，特te別bie是shi在zai多duo個ge安an裝zhuang點dian進jin行xing大da規gui模mo部bu署shu的de情qing況kuang下xia，另ling外wai也ye可ke能neng存cun在zai安an全quan隱yin患huan。而er固gu態tai斷duan路lu器qi則ze可ke以yi通tong過guo有you線xian或huo無wu線xian連lian接jie進jin行xing遠yuan程cheng複fu位wei。

·開關速度更快且不會產生電弧：機(ji)械(xie)斷(duan)路(lu)器(qi)在(zai)開(kai)關(guan)時(shi)可(ke)能(neng)會(hui)產(chan)生(sheng)較(jiao)大(da)的(de)電(dian)弧(hu)和(he)電(dian)壓(ya)波(bo)動(dong)，足(zu)以(yi)損(sun)壞(huai)負(fu)載(zai)設(she)備(bei)。固(gu)態(tai)斷(duan)路(lu)器(qi)采(cai)用(yong)軟(ruan)啟(qi)動(dong)方(fang)法(fa)，可(ke)以(yi)保(bao)護(hu)電(dian)路(lu)不(bu)受(shou)這(zhe)些(xie)感(gan)應(ying)電(dian)壓(ya)尖(jian)峰(feng)和(he)電(dian)容(rong)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)的(de)影(ying)響(xiang)，而(er)且(qie)開(kai)關(guan)速(su)度(du)要(yao)快(kuai)得(de)多(duo)
，在(zai)發(fa)生(sheng)故(gu)障(zhang)時(shi)隻(zhi)需(xu)幾(ji)毫(hao)秒(miao)即(ji)可(ke)切(qie)斷(duan)電(dian)路(lu)。

·靈活的電流額定值：固態斷路器具有可編程的電流額定值，而機械斷路器則具有固定的電流額定值。

·尺寸更小、重量更輕：相較於機械斷路器，固態斷路器重量更輕
、體積更小。

現有固態斷路器的局限性

雖然固態斷路器相較於機械斷路器具有多項優勢，但它們也存在一些缺點，具體包括電壓/電流額定值受限製、導通損耗更高且價格更貴。通常
，對於交流應用
，固態斷路器基於可控矽整流器 (TRIAC)，而對於直流係統
，則基於標準平麵 MOSFET。TRIAC 或 MOSFET 負責實現開關功能

，而光隔離驅動器則用作控製元件。然而，在具有高輸出電流的情況下
，基於 MOSFET 的高電流固態斷路器需要使用散熱片

，這就意味著它們無法達到與機械斷路器相同的功率密度水平。

同樣地，使用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 實現的固態斷路器也需要散熱片，因為當電流超過幾十安培時，飽和電壓會導致過多的功率損耗。舉例來說
，當電流為 500 安培時，IGBT 上的 2V 壓降會產生高達 1000W 的功率損耗。對於同等功率水平，MOSFET 需要具有約 4 mΩ 的導通電阻。隨著電動汽車中器件的電壓額定值朝著 800V（甚至更高）發fa展zhan，目mu前qian沒mei有you單dan一yi器qi件jian能neng夠gou實shi現xian這zhe一yi電dian阻zu水shui平ping。雖sui然ran理li論lun上shang可ke以yi通tong過guo並bing聯lian多duo個ge器qi件jian來lai實shi現xian該gai數shu字zi，但dan這zhe樣yang的de做zuo法fa會hui顯xian著zhu增zeng加jia方fang案an的de尺chi寸cun和he成cheng本ben，尤you其qi是shi在zai需xu要yao處chu理li雙shuang向xiang電dian流liu的de情qing況kuang下xia。

使用 SiC 功率模塊打造下一代固態斷路器

與矽芯片相比
，SiC 芯片在相同額定電壓和導通電阻條件下，尺寸可以縮小多達十倍。此外，與矽器件相比
，SiC 器件的開關速度至少快 100 倍
，並且它可以在高達兩倍以上的峰值溫度下工作。同時，SiC 具有出色的導熱性能，因此在高電流水平下具有更好的穩健性。安森美利用 SiC 的這些特性開發了一係列 EliteSiC 功率模塊
，其 1200V 器件的導通電阻低至 1.7mΩ。這些模塊在單個封裝中集成了兩到六個 SiC MOSFET。

燒結芯片技術（將兩個獨立芯片燒結在一個封裝內）甚至在高功率水平下也能提供可靠的產品性能。由於具備快速開關行為和高熱導率，因此該類器件可以在故障發生時快速而安全地“跳閘”（斷開電路），阻止電流流動，直到恢複正常工作條件為止。這樣的模塊展示了越來越有可能將多個 SiC MOSFET 器件集成到單個封裝中
，以實現低導通電阻和小尺寸

，從而滿足實際斷路器應用的需求。此外，安森美還提供承受電壓範圍為 650V 到 1700V 的 EliteSiC MOSFET 和功率模塊，因此這些器件也可用於打造適合單相和三相家庭、商業和工業應用的固態斷路器。安森美具有垂直整合的 SiC 供應鏈
，能夠提供近乎零缺陷的產品
，這些產品經過全麵的可靠性測試，能夠滿足固態斷路器製造商的需求。

圖 1：安森美完整的端到端碳化矽 (SiC) 供應鏈

下圖展示了固態斷路器的模塊化實現方式，其中以並聯配置連接多個 1200V SiC 芯片和多個開關來實現了極低的 rdson heyouhuadesanrexiaoguo。xiafangzhexiewanquanjichengdemokuaijuyouyouhuadeyinjiaoweizhihebuju，youzhuyujianshaojishengxiaoying，tigaokaiguanxingnenghesuoduanguzhangxiangyingshijian。ansenmeitigongfengfuduoyangde SiC 模塊產品組合，模塊額定電壓為 650V、1200V 和 1700V，並且其中一些模塊帶有底板，而另一些則無底板，以便滿足不同的應用需求和效率需求。

圖 2：適用於固態斷路器的 SiC B2B 模塊- 480VAC -200A

圖 3：適用於固態斷路器應用的安森美模塊

SiC 技術和固態斷路器將共同發展

jixieduanluqijuyoudigonglvsunhaohegenggaodegonglvmidu，muqianjiageyediyugutaiduanluqi。lingwai，jixieduanluqirongyiyinweifanfushiyongerfashengmosun，bingqiefuweihuogenghuanhuichanshengangguiderengongweihuchengben。suizhediandongqichederiyipuji，shichangduiduanluqihe SiC 器件的需求將持續增長

，因此這種寬禁帶技術的成本競爭力會日益增強
，並且其對固態斷路器方案的吸引力也會不斷增加。隨著 SiC 工藝技術的不斷進步和獨立 SiC MOSFET 的電阻進一步降低，固態斷路器的功率損耗最終會達到與機械斷路器相媲美的水平，那時功率損耗將不再是個問題。基於 SiC 器件的固態斷路器具備開關速度快、無電弧以及零維護等優勢，能夠帶來顯著的成本節約，因此必將成為市場廣泛采用的主流選擇。

（作者: 安森美電源方案事業群工業方案部高級總監Sravan Vanaparthy）

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