【導讀】得益於固態電路保護，直流母線電壓為400V或以上的電氣係統（由單相或三相電網電源或儲能係統（ESS）供電）可提升自身的可靠性和彈性。在設計高電壓固態電池斷開開關時，需要考慮幾項基本的設計決策。其中關鍵因素包括半導體技術、器件類型、熱封裝、器件耐用性以及路中斷期間的感應能量管理。在本文中，我們將討論在選擇功率半導體技術和定義高電壓、高電流電池斷開開關的半導體封裝時的一些設計注意事項，以及表征係統的寄生電感和過流保護限值的重要性。

得益於固態電路保護，直流母線電壓為400V或以上的電氣係統（由單相或三相電網電源或儲能係統（ESS）供電）可提升自身的可靠性和彈性。在設計高電壓固態電池斷開開關時，需要考慮幾項基本的設計決策。其中關鍵因素包括半導體技術、器件類型、熱封裝、器件耐用性以及路中斷期間的感應能量管理。在本文中，我們將討論在選擇功率半導體技術和定義高電壓
、高電流電池斷開開關的半導體封裝時的一些設計注意事項，以及表征係統的寄生電感和過流保護限值的重要性。

寬帶隙半導體技術的優勢

在選擇最佳半導體材料時，應考慮多項特性。目標是打造兼具最小導通電阻
、最小關斷泄漏電流
、高電壓阻斷能力和高功率能力的開關。圖1顯示了矽（Si）、碳化矽（SiC）和氮化镓（GaN）三種半導體材料的特性。SiC和GaNdedianjichuanchangdayueshiguideshibei。zheshideshejipiaoyiquhouduweidengxiaoguiqijianshifenzhiyideqijianchengweikeneng，yinweipiaoyiquhouduyudianjichuanchangchengfanbi。ciwai，piaoyiqudedianzuyudianjichuanchangdelifangchengfanbi。zheshidepiaoyiqudianzujiangdilejin1000倍bei。在zai固gu態tai開kai關guan應ying用yong中zhong，所suo有you損sun耗hao都dou是shi導dao通tong損sun耗hao，高gao電dian擊ji穿chuan場chang是shi一yi項xiang顯xian著zhu的de優you勢shi。此ci外wai，電dian阻zu降jiang低di還hai意yi味wei著zhe無wu需xu擔dan心xin動dong態tai閂shuan鎖suo問wen題ti，否fou則ze較jiao高gao的dedV/dt瞬變可能會分別觸發矽功率MOSFET和IGBT中的寄生NPN晶體管或晶閘管。

圖1、Si、SiC和GaN三種材料的特性

碳化矽的熱導率是Si和GaN的(de)三(san)倍(bei)，可(ke)顯(xian)著(zhu)提(ti)高(gao)芯(xin)片(pian)散(san)熱(re)能(neng)力(li)

，使(shi)其(qi)運(yun)行(xing)溫(wen)度(du)更(geng)低(di)並(bing)簡(jian)化(hua)熱(re)設(she)計(ji)。或(huo)者(zhe)，對(dui)於(yu)等(deng)效(xiao)目(mu)標(biao)結(jie)溫(wen)來(lai)說(shuo)，這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)支(zhi)持(chi)更(geng)高(gao)的(de)工(gong)作(zuo)電(dian)流(liu)。更(geng)高(gao)的(de)熱(re)導(dao)率(lv)搭(da)配(pei)高(gao)電(dian)擊(ji)穿(chuan)場(chang)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)導(dao)通(tong)電(dian)阻(zu)，從(cong)而(er)進(jin)一(yi)步(bu)簡(jian)化(hua)熱(re)設(she)計(ji)。

碳化矽是一種寬帶隙（WBG）半(ban)導(dao)體(ti)材(cai)料(liao)，其(qi)能(neng)隙(xi)幾(ji)乎(hu)是(shi)矽(gui)的(de)三(san)倍(bei)

，因(yin)此(ci)能(neng)夠(gou)在(zai)更(geng)高(gao)的(de)溫(wen)度(du)下(xia)工(gong)作(zuo)。半(ban)導(dao)體(ti)在(zai)高(gao)溫(wen)環(huan)境(jing)下(xia)將(jiang)無(wu)法(fa)發(fa)揮(hui)半(ban)導(dao)體(ti)的(de)功(gong)能(neng)。更(geng)寬(kuan)的(de)能(neng)隙(xi)使(shi)得(de)碳(tan)化(hua)矽(gui)能(neng)夠(gou)在(zai)高(gao)出(chu)矽(gui)幾(ji)百(bai)攝(she)氏(shi)度(du)的(de)溫(wen)度(du)下(xia)正(zheng)常(chang)工(gong)作(zuo)，因(yin)為(wei)其(qi)自(zi)由(you)載(zai)流(liu)子(zi)的(de)濃(nong)度(du)較(jiao)低(di)。但(dan)是(shi)，基(ji)於(yu)當(dang)今(jin)技(ji)術(shu)的(de)其(qi)他(ta)因(yin)素(su)（如封裝和柵極氧化層泄漏）將器件的最大連續結溫限製在175 °C。WBG技術的另一項優勢是其關斷泄漏電流較低。

考慮到以上特性，碳化矽是該應用的最佳半導體材料。

以下器件類型之間的差異：IGBT、MOSFET和JFET

晶jing體ti管guan的de類lei型xing是shi下xia一yi個ge關guan鍵jian因yin素su。大da多duo數shu情qing況kuang下xia
，導dao通tong損sun耗hao是shi需xu要yao麵mian臨lin的de最zui大da設she計ji挑tiao戰zhan。為wei了le滿man足zu係xi統tong的de熱re要yao求qiu，應ying最zui大da限xian度du地di減jian少shao導dao通tong損sun耗hao。一yi些xie係xi統tong采cai用yong液ye體ti冷leng卻que，而er其qi他ta係xi統tong可ke能neng使shi用yong強qiang製zhi風feng冷leng或huo依yi靠kao自zi然ran對dui流liu。除chu了le大da限xian度du地di減jian少shao導dao通tong損sun耗hao之zhi外wai，還hai必bi須xu將jiang壓ya降jiang保bao持chi在zai最zui低di水shui平ping
，以yi便bian最zui大da限xian度du地di提ti高gao所suo有you工gong作zuo點dian（包括輕載條件）的效率。這對於電池供電係統尤為重要。許多係統（包括直流係統）中還有一個重要因素，即電流都是雙向的。通常需要兼具低導通損耗、低壓降和反向導通能力的晶體管。可以考慮的晶體管通常包括IGBT、MOSFET和JFET。

盡管IGBT在峰值負載電流下的導通損耗與MOSFET相當，但一旦負載電流減小，基於IGBT的解決方案就會變得效率低下。這是因為壓降由兩部分組成：一部分壓降接近恒定，與集電極電流無關；另一部分壓降與集電極電流成正比。使用MOSFET時
，壓降與源電流成正比。它沒有IGBT的開銷，這使得所有工作點（包括輕載條件）都能實現高效率。MOSFET允許第一象限和第三象限的通道導通
，這意味著電流可以正向和反向流過器件。MOSFET在第三象限工作有一個額外的好處


，即其導通電阻通常比在第一象限略低。而IGBT僅在第一象限導通電流，並且需要通過反並聯二極管來實現反向電流導通。JFET是一種舊技術，但目前正在複興，它既可以正向導通也可以反向導通，並且與MOSFET一樣，其壓降與漏極電流成正比。JFET與MOSFET的不同之處在於它是一種耗盡型器件。也就是說，JFETshuyuchangkaiqijian，xuyaotongguozhajipianzhilaiyizhidianliudeliudong。zhegeishejirenyuanzaikaolvxitongguzhangtiaojianshidailailetiaozhan。zuoweiyizhongbiantongfangfa，keyishiyongbaokuochuanliandidianyaguiMOSFET的共源共柵配置來實現常閉器件。串聯矽器件的加入增加了複雜度，進而削弱了JFET在高電流應用中的一些優勢。SiC MOSFET屬於常閉器件，兼具許多係統中所需的低電阻和可控性。

熱封裝

SiC功率模塊可實現高級別的係統優化，這很難通過並聯分立MOSFET來實現。Microchip的mSiC™模塊具有多種配置以及電壓和電流額定值。其中包括共源配置
，該配置以反串聯的方式連接兩個SiC MOSFET，從而實現雙向電壓和電流阻斷。每個MOSFET均由多個芯片並聯組成，以實現額定電流和低導通電阻。對於單向電池斷開開關

，兩個MOSFET在功率模塊外部並聯連接。

weileshixinpianbaochijiaodideyunxingwendu
，xuyaojiaodidedaotongdianzuherezu。mokuaizhongshiyongdecailiaoshijuedingjiezhiwaikerezujiqikekaoxingdejibenyaosu。jutilaishuo，xinpianzhanjie
、基(ji)板(ban)和(he)底(di)板(ban)材(cai)料(liao)特(te)性(xing)是(shi)形(xing)成(cheng)模(mo)塊(kuai)熱(re)阻(zu)的(de)主(zhu)要(yao)因(yin)素(su)。選(xuan)擇(ze)高(gao)熱(re)導(dao)率(lv)的(de)材(cai)料(liao)有(you)助(zhu)於(yu)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)降(jiang)低(di)熱(re)阻(zu)和(he)結(jie)溫(wen)。除(chu)了(le)熱(re)性(xing)能(neng)之(zhi)外(wai)
，選(xuan)擇(ze)熱(re)膨(peng)脹(zhang)係(xi)數(shu)（CTE）緊密匹配的材料可以降低材料界麵和內部的熱應力
，從而延長模塊的使用壽命。表1彙總了這些熱特性。氮化鋁（AlN）基板和銅（Cu）底板是mSiC功率模塊的標配。氮化矽（Si3N4）基板和鋁碳化矽（AlSiC）底板的可靠性更高。圖2給出了采用通過DO-160認證的標準SP3F和SP6C封裝以及高可靠性無底板BL1和BL3封裝的共源功率模塊。

表1. 芯片、基板和底板的熱特性

圖2. 采用共源配置的Microchip mSiC™模塊

器件耐用性和係統電感

除(chu)了(le)模(mo)塊(kuai)的(de)熱(re)性(xing)能(neng)和(he)長(chang)期(qi)可(ke)靠(kao)性(xing)之(zhi)外(wai)，電(dian)路(lu)中(zhong)斷(duan)器(qi)件(jian)的(de)另(ling)一(yi)個(ge)設(she)計(ji)注(zhu)意(yi)事(shi)項(xiang)是(shi)高(gao)感(gan)應(ying)能(neng)量(liang)。繼(ji)電(dian)器(qi)和(he)接(jie)觸(chu)器(qi)的(de)循(xun)環(huan)次(ci)數(shu)是(shi)有(you)限(xian)的(de)。它(ta)們(men)通(tong)常(chang)指(zhi)定(ding)無(wu)負(fu)載(zai)機(ji)械(xie)開(kai)關(guan)循(xun)環(huan)，極(ji)少(shao)指(zhi)定(ding)電(dian)氣(qi)負(fu)載(zai)開(kai)關(guan)循(xun)環(huan)。係(xi)統(tong)中(zhong)的(de)電(dian)感(gan)會(hui)導(dao)致(zhi)觸(chu)點(dian)間(jian)產(chan)生(sheng)電(dian)弧(hu)，進(jin)而(er)在(zai)電(dian)流(liu)斷(duan)開(kai)時(shi)導(dao)致(zhi)性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)。因(yin)此(ci)，電(dian)氣(qi)循(xun)環(huan)額(e)定(ding)值(zhi)的(de)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)被(bei)明(ming)確(que)定(ding)義(yi)，並(bing)對(dui)其(qi)壽(shou)命(ming)有(you)很(hen)大(da)影(ying)響(xiang)。即(ji)便(bian)如(ru)此(ci)
，在(zai)使(shi)用(yong)接(jie)觸(chu)器(qi)或(huo)繼(ji)電(dian)器(qi)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)仍(reng)然(ran)需(xu)要(yao)連(lian)接(jie)上(shang)遊(you)熔(rong)絲(si)，因(yin)為(wei)在(zai)較(jiao)高(gao)的(de)短(duan)路(lu)電(dian)流(liu)下(xia)
，觸(chu)點(dian)可(ke)能(neng)會(hui)熔(rong)接(jie)關(guan)斷(duan)。固(gu)態(tai)電(dian)池(chi)斷(duan)開(kai)開(kai)關(guan)不(bu)會(hui)受(shou)到(dao)這(zhe)種(zhong)性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)的(de)影(ying)響(xiang)，因(yin)此(ci)有(you)助(zhu)於(yu)打(da)造(zao)可(ke)靠(kao)性(xing)更(geng)高(gao)的(de)係(xi)統(tong)。盡(jin)管(guan)如(ru)此(ci)
，對(dui)於(yu)管(guan)理(li)中(zhong)斷(duan)高(gao)電(dian)流(liu)時(shi)存(cun)在(zai)的(de)感(gan)應(ying)能(neng)量(liang)來(lai)說(shuo)
，了(le)解(jie)係(xi)統(tong)的(de)寄(ji)生(sheng)和(he)負(fu)載(zai)電(dian)感(gan)與(yu)電(dian)容(rong)也(ye)是(shi)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)。

ganyingnengliangyudianganyijizhongduanshixitongzhongdianliudepingfangchengzhengbi。kaiguanshuchuduanzifashengduanluhuidaozhidianliukuaisuzengjia，qishangshengsulvdengyudianchidianyayuyuandianganzhibi。julilaishuo，800V母線電壓和5 µH的源電感會導致電流以每微秒160A的速度增加。5 µs的檢測和響應時間將導致電路中產生800A的額外電流。由於不建議在雪崩模式下操作SiC功(gong)率(lv)模(mo)塊(kuai)，因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)緩(huan)衝(chong)電(dian)路(lu)或(huo)鉗(qian)位(wei)電(dian)路(lu)來(lai)吸(xi)收(shou)這(zhe)種(zhong)感(gan)應(ying)能(neng)量(liang)以(yi)保(bao)護(hu)模(mo)塊(kuai)。但(dan)是(shi)
，當(dang)經(jing)過(guo)適(shi)當(dang)設(she)計(ji)以(yi)滿(man)足(zu)爬(pa)電(dian)距(ju)離(li)和(he)間(jian)隙(xi)要(yao)求(qiu)時(shi)，緩(huan)衝(chong)電(dian)路(lu)引(yin)入(ru)的(de)寄(ji)生(sheng)效(xiao)應(ying)會(hui)進(jin)一(yi)步(bu)限(xian)製(zhi)其(qi)有(you)效(xiao)性(xing)。因(yin)此(ci)，開(kai)關(guan)應(ying)足(zu)夠(gou)緩(huan)慢(man)地(di)關(guan)斷(duan)
，以(yi)限(xian)製(zhi)模(mo)塊(kuai)內(nei)部(bu)電(dian)感(gan)引(yin)起(qi)電(dian)壓(ya)過(guo)應(ying)力(li)和(he)電(dian)流(liu)突(tu)然(ran)下(xia)降(jiang)。采(cai)用(yong)低(di)電(dian)感(gan)設(she)計(ji)的(de)模(mo)塊(kuai)有(you)助(zhu)於(yu)進(jin)一(yi)步(bu)最(zui)大(da)限(xian)度(du)地(di)降(jiang)低(di)該(gai)電(dian)壓(ya)應(ying)力(li)。

在矽功率器件中
，高電流的快速中斷會帶來觸發寄生NPN或晶閘管的風險，進而導致無法控製的閂鎖並最終引發故障。在SiC器件上，非常快速的關斷可能會導致每個芯片在關斷過程中發生低能量雪崩擊穿，直到緩衝電路或鉗位電路吸收掉高能量為止。Microchip的mSiC MOSFET經過專門設計和測試，具有非鉗位電感開關（UIS）耐受性，可在緩衝電路或鉗位電路的性能開始下降時提供額外的安全裕度。圖3給出了與市場上其他SiC器件的單觸發和重複UIS性能對比。

圖3，單觸發（左）和重複（右）雪崩能量性能

盡管應了解器件級抗短路能力
，並且IGBT的器件級抗短路能力確實比MOSFET更geng出chu色se，但dan在zai實shi際ji係xi統tong中zhong會hui麵mian臨lin不bu同tong的de應ying力li條tiao件jian。由you於yu係xi統tong電dian感gan固gu有you的de限xian流liu特te性xing，模mo塊kuai不bu太tai可ke能neng達da到dao其qi短duan路lu電dian流liu額e定ding值zhi。限xian製zhi因yin素su為wei緩huan衝chong電dian路lu或huo鉗qian位wei電dian路lu設she計ji。為wei了le設she計ji出chu外wai型xing小xiao巧qiao的de高gao性xing價jia比bi緩huan衝chong電dian路lu，允yun許xu的de係xi統tong級ji峰feng值zhi短duan路lu電dian流liu將jiang被bei限xian製zhi在zai遠yuan低di於yu模mo塊kuai短duan路lu電dian流liu額e定ding值zhi的de範fan圍wei內nei。例li如ru，在zai由you9個芯片並聯組成並設計用於防止短路電流超過1350A的500A電池斷開開關中，每個芯片導通150安培的電流（假定電流均勻分布）。zhebiqijianjiduanluceshizhongdedianliuyaodideduo，qijianjiduanluceshiqijiandedianliuhuichaoguojibaianpei。dianyaqianweiqijiandeyouhuashiwenjianxinggutaidianchiduankaikaiguanshejideguanjianhuanjie。

其他設計注意事項

除了功率器件之外，還有一些與控製電子器件相關的設計注意事項，其中包括電流檢測技術、過(guo)流(liu)檢(jian)測(ce)和(he)保(bao)護(hu)以(yi)及(ji)功(gong)能(neng)安(an)全(quan)。對(dui)於(yu)低(di)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)係(xi)統(tong)的(de)設(she)計(ji)來(lai)說(shuo)
，是(shi)否(fou)使(shi)用(yong)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)電(dian)阻(zu)或(huo)磁(ci)性(xing)技(ji)術(shu)進(jin)行(xing)電(dian)流(liu)檢(jian)測(ce)的(de)決(jue)策(ce)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)，因(yin)為(wei)快(kuai)速(su)的(de)響(xiang)應(ying)時(shi)間(jian)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。是(shi)否(fou)使(shi)用(yong)硬(ying)件(jian)
、軟件或兩者結合進行過流檢測也是一項重要的決策
，尤其是在需要滿足功能安全要求時。

yishangtaolunleguanyugutaidianchiduankaikaiguanzhonggaodianyagonglvqijiandexuanzeheshejideyixieguanjianfangmian。yuchuantongjixieduankaikaiguanxiangbi，gutaiduankaikaiguanzhisuoyijuyouxitongjiyoushi，guanjianzaiyutanhuaguihegonglvbandaotifengzhuangdeyoushi。deyiyutanhuaguijishu，qijianxianzainenggoujianjujiaodidedaotongdianzuherezu，congershixianxuduoxitongzhongsuoxudedidaotongsunhao，tongshihaikeyicaiyongbaozhenggaokekaoxingdecailiao。

(來源：Microchip Technology Inc.，作者：碳化矽業務部資深顧問級應用工程師Ehab Tarmoom)

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