如何利用碳化硅打造下一代固态断路器

保护电力基础设施和设备

输配电系统以及灵敏设备都需要妥善的保护，以防因为长时间过载和瞬态短路情况而受到损坏。随着电力系统和电动汽车使用的电压越来越高，可能的最大故障电流也比以往任何时候都更高。为了针对这些高电流故障提供保护，我们需要超快速交流和直流断路器。过去，机械断路器一直是此类应用的主要选择，然而随着工作要求越来越严苛，固态断路器越来越受到欢迎。相较于机械断路器，固态断路器具有许多优势：

·稳健性和可靠性：机械断路器内含活动部件，因此相对易于受损。这意味着它们容易损坏或因为运动而意外自动断开，并且在使用期间，每次复位都会出现磨损。相比之下，固态断路器不含活动部件，因此更加稳健可靠，也不太容易出现意外损坏，因此能够反复进行数千次断开/闭合操作。

·温度灵活性：机械断路器的工作温度取决于其制造材料，因此在工作温度方面存在一定的限制。相比之下，固态断路器的工作温度更高并且可以调节，因此它能够更加灵活地适应不同的工作环境。

·远程配置：机械断路器在跳闸后需要人工手动复位，这可能非常耗时且成本高昂，特别是在多个安装点进行大规模部署的情况下，另外也可能存在安全隐患。而固态断路器则可以通过有线或无线连接进行远程复位。

·开关速度更快且不会产生电弧：机械断路器在开关时可能会产生较大的电弧和电压波动，足以损坏负载设备。固态断路器采用软启动方法，可以保护电路不受这些感应电压尖峰和电容浪涌电流的影响，而且开关速度要快得多，在发生故障时只需几毫秒即可切断电路。

·灵活的电流额定值：固态断路器具有可编程的电流额定值，而机械断路器则具有固定的电流额定值。

·尺寸更小、重量更轻：相较于机械断路器，固态断路器重量更轻、体积更小。

现有固态断路器的局限性

虽然固态断路器相较于机械断路器具有多项优势，但它们也存在一些缺点，具体包括电压/电流额定值受限制、导通损耗更高且价格更贵。通常，对于交流应用，固态断路器基于可控硅整流器 (TRIAC)，而对于直流系统，则基于标准平面 MOSFET。TRIAC 或 MOSFET 负责实现开关功能，而光隔离驱动器则用作控制元件。然而，在具有高输出电流的情况下，基于 MOSFET 的高电流固态断路器需要使用散热片，这就意味着它们无法达到与机械断路器相同的功率密度水平。

同样地，使用绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 实现的固态断路器也需要散热片，因为当电流超过几十安培时，饱和电压会导致过多的功率损耗。举例来说，当电流为 500 安培时，IGBT 上的 2V 压降会产生高达 1000W 的功率损耗。对于同等功率水平，MOSFET 需要具有约 4 mΩ 的导通电阻。随着电动汽车中器件的电压额定值朝着 800V（甚至更高）发展，目前没有单一器件能够实现这一电阻水平。虽然理论上可以通过并联多个器件来实现该数字，但这样的做法会显著增加方案的尺寸和成本，尤其是在需要处理双向电流的情况下。