碳化矽打造新世代固態斷路器(1)

如今，碳化矽(SiC)元件在電動車(EV)和太陽能光伏(PV)應用中帶來的性能優勢已經得到廣泛認可。不過，SiC也能在其他應用發揮其材料優勢，其中包括電路保護領域。本文將回顧該領域的發展，同時比較機械保護和使用不同半導體元件實現的固態斷路器(SSCB)的優缺點。最後，本文將討論SiC固態斷路器日益受到人們青睞的原因。

保護電力基礎設施和設備

輸配電系統以及敏感設備都需要獲得妥善的保護，以防因為長時間超載和瞬態短路情況而受到損壞。隨著電力系統和電動車使用的電壓越來越高，可能的最大故障電流也比以往任何時候都更高。為了針對這些高電流故障提供保護，我們需要超快速交流和直流斷路器。過去，機械斷路器一直是此類應用的主要選擇，然而，隨著工作要求越來越嚴苛，固態斷路器越來越受歡迎。相較於機械斷路器，固態斷路器具有許多優勢，如下所列。

．穩健性和可靠性：機械斷路器內含活動部件，因此相對容易受損，代表機械斷路器容易損壞或因為運動而意外自動斷開，並且在使用期間，每次復位都會出現磨損。相比之下，固態斷路器不含活動部件，因此更加穩健可靠，也不太容易出現意外損壞，因此能夠反覆進行數千次斷開/閉合操作。

．溫度靈活性：機械斷路器的工作溫度取決於其製造材料，在工作溫度方面存在一定限制。相比之下，固態斷路器的工作溫度更高並且可以調節，能夠更加靈活地適應不同的工作環境。

．遠端配置：機械斷路器在跳閘後需要人工手動復位，耗時且成本高昂，特別是在多個安裝點進行大規模部署的情況下，也可能存在安全隱患。固態斷路器則可以透過有線或無線連接進行遠端復位。

．開關速度更快且不會產生電弧：機械斷路器在開關時可能會產生較大的電弧和電壓波動，足以損壞負載設備。固態斷路器採用軟啟動方法，可以保護電路不受這些感應電壓尖峰和電容浪湧電流的影響，並且開關速度要快得多，在發生故障時只需要幾毫秒即可切斷電路。

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

．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，卻也同時存在一些缺點，具體包括電壓/電流額定值受到限制、導通損耗更高且價格更高。通常，對於交流應用，固態斷路器基於可控矽整流器(TRIAC)，對於直流系統則基於標準平面MOSFET。TRIAC或MOSFET負責實現開關功能，而光隔離驅動器則用作控制元件。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，無法達到與機械斷路器相同的功率密度水準。

同樣地，使用絕緣閘雙極電晶體(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，飽和電壓將導致過多的功率損耗。舉例來說，電流為500安培時，IGBT上的2V壓降會產生高達1,000W的功率損耗。對於同等功率水準，MOSFET需要具有約4mΩ的導通電阻。隨著電動車中元件的電壓額定值朝著800V(甚至更高)發展，目前沒有單一元件能夠實現這一電阻水準。雖然理論上可以透過並聯多個元件來實現該數字，但這樣的做法會顯著增加方案的尺寸和成本，尤其是在需要處理雙向電流的情況下。

碳化矽打造新世代固態斷路器(1)

碳化矽打造新世代固態斷路器(2)