碳化矽(SiC)不只在電動車和太陽能光伏發揮性能優勢，更有機會在電路保護領域扮演要角，突破固態斷路器(SSCB)既存限制。
使用SiC功率模組打造下一代固態斷路器
(承前文)與矽晶片相比，SiC晶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，與矽元件相比，SiC元件的開關速度至少快100倍，並且可以在兩倍以上的峰值溫度下工作。同時，SiC具有出色的導熱性能，在高電流水準下具有更好的穩健性。廠商已經開始採用SiC開發相關產品，例如安森美(onsemi)利用前述SiC特性開發一系列EliteSiC功率模組，其1,200V元件的導通電阻最低可達1.7mΩ。這些模組在單個封裝中整合了兩到六個SiC MOSFET。
燒結晶片技術(將兩個獨立晶片燒結在一個封裝內)甚至在高功率水準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，該類元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，直到恢復正常工作條件為止。這樣的模組展示了將多個SiC MOSFET元件整合至單個封裝的可能性，可以實現低導通電阻和小尺寸，進而滿足實際斷路器應用的需求。此外，安森美也提供承受電壓範圍為650~1700V的EliteSiC MOSFET和功率模組，因此這些元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。垂直整合的SiC供應鏈可以確保產品的品質，例如安森美便具有垂直整合的SiC供應鏈(圖1)，能夠提供近乎零缺陷的產品，這些產品經過全面的可靠性測試，能夠滿足固態斷路器製造商的需求。
圖1 安森美的端到端SiC供應鏈
圖2展示了固態斷路器的模組化實現方式，其中以並聯配置連接多個1,200V SiC晶片和多個開關，進而實現極低的RDS(on)和優化的散熱效果。這些完全整合的模組具有優化的引腳位置和布局，有助於減少寄生效應，提高開關性能和縮短故障回應時間。安森美提供多種SiC模組產品組合(圖3)，模組額定電壓為650V、1,200V和1,700V，其中一些模組帶有底板，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模組-480VAC-200A
圖3 安森美SiC模組產品組合
SiC技術/固態斷路器將共同發展
機械斷路器具有低功率損耗和更高的功率密度，目前價格也低於固態斷路器。不過，機械斷路器容易因為反覆使用而發生磨損，並且復位或更換將產生昂貴的人工維護成本。隨著電動車的日益普及，市場對斷路器和SiC元件的需求持續成長，寬能隙技術的成本競爭力將日益增強，並且其對固態斷路器方案的吸引力也會不斷增加。隨著SiC製程技術不斷進步、獨立SiC MOSFET的電阻進一步降低，固態斷路器的功率損耗最終將可和機械斷路器相媲美，屆時，功率損耗將不再是個問題。基於SiC元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，能夠顯著節約成本，因此必將成為市場廣泛採用的主流選擇。
(本文作者為安森美電源方案事業群工業方案部高級總監)
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