DC总线电压为400 V或更大的电气系统，由单相或三相电网功率或储能系统（ESS）提供动力，可以通过固态电路保护提高其可靠性和弹性。在设计高压固态电池断开连接开关时，需要考虑一些基本的设计决策。关键因素包括半导体技术，设备类型，热包装，设备坚固性以及在电路中断期间管理电感能量。本文讨论了选择功率半导体技术的设计注意事项，并为高压，高电流电池断开开关定义了半导体包装，以及表征系统寄生电感和过度流动保护限制的重要性。
宽带半导体技术的优势
需要仔细考虑以选择的半导体材料以实现具有的状态阻力，的离状态泄漏电流，高电压阻滞功能和高功率能力的开关。图1显示了硅（SI），碳化硅（SIC）和氮化壳（GAN）的半导体材料特性。 SIC和GAN的电击球场大约是硅的十倍。这使得具有等效级硅设备厚度的漂移区域的设备的设计是其厚度的十分之一，因为其厚度与电击穿场成反比。此外，漂移区域的电阻与分解场的立方体成反比。这导致较低的漂移区域阻力降低了近1000倍。在所有损失都是传导损失的固态开关应用程序中，高电击穿场是一个重要的优势。这种降低的电阻还消除了动态闩锁问题的担忧，在硅功率MOSFET和IGBT中，高DV/DT瞬变分别可能触发寄生NPN晶体管或晶状体。
图1。SI ，SIC和GAN材料特性
碳化硅的导热率是SI和GAN的三倍，显着提高了从芯片中抽出热量的能力，从而使其能够运行冷却器并简化热设计。另外，对于等效目标连接温度，它允许更高的电流操作。较高的热导率与高电动分解场相结合，导致抗性较低，进一步简化了热设计。
碳化硅是一种宽带gap（WBG）半导体材料，其能量隙几乎是硅的三倍，可实现更高温度的运行。半导体在升高的温度下停止充当半导体。较大的能量隙使碳化硅的运行摄入比硅高几百度，因为自由电荷载体的浓度较低。但是，基于当今技术的其他因素（例如，包装，门氧化物泄漏）将设备的连接温度限制为175°C。 WBG技术的另一个优点是，它提供了较低的州泄漏电流。
考虑到这些特征，碳化硅是该应用的半导体材料。
晶体管的类型是下一个关键因素。在大多数情况下，传导损失提出了的设计挑战。应将传导损耗化以满足系统的热要求。液体冷却在某些系统中可用，而另一些系统可以使用强迫空气或依靠自然对流。除了的传导损失外，还必须将电压下降保持在限度，以地提高所有操作点的效率，包括照明条件。这在电池动力系统中尤为重要。在包括直流系统在内的许多系统中，另一个重要因素是双向电流流。通常需要具有低传导损耗，低压下降和反向传导能力的晶体管。通常考虑的晶体管是IGBT，MOSFET和JFET。
虽然IGBT在峰值负载电流下提供可比的传导损失作为MOSFET，但一旦负载电流降低，基于IGBT的溶液的效率就会降低。这是因为电压下降由两个组件组成：一个近恒定电压下降，与收集器电流无关，并且与收集器电流成正比的电压下降。使用MOSFET，电压下降与源电流成正比。它没有IGBT的开销，这可以在所有操作点（包括灯负载条件）上具有很高的效率。 MOSFET允许在象限和第三象限中传导通道传导，这意味着电流可以以前和反向方向流过设备。 MOSFET的第三季度操作的另一个好处是，它的状态阻力通常比个象限略低。而IGBT仅在个象限中引导电流，并且需要一个反行二极管才能反向电流传导。 JFET是一种较旧的技术，但进行了复兴，可以在前进和反向传导中起作用，并且像MOSFET一样，电压降低与排水管成正比。它与MOSFET不同的地方是它是耗尽模式的设备。也就是说，JFET通常处于打开状态，需要栅极偏置以抑制电流的流动。在考虑系统故障条件时，这给设计师带来了实际挑战。作为解决方法，可以使用包括一系列低压硅MOSFET的级联配置来实现正常的设备。系列硅设备的添加增加了复杂性，这减少了JFET在高电流应用中的一些优势。 SIC MOSFET是一种通常的设备，在许多系统中提供了所需的低阻力和可控性。
热包装
SIC功率模块可以实现高水平的系统优化，而离散的MOSFET很难实现。 Microchip的MSIC模块可在一系列配置，电压和当前评分中获得。其中包括通用源配置，该配置将两个SIC MOSFET连接在反系列配置中以允许双向电压和电流阻断。每个MOSFET都由并行连接的多个芯片组成，以达到额定的电流和低国家电阻。对于单向电池断开连接开关，两个MOSFET与功率模块并行连接。
需要低的州电阻和低热阻力来保持芯片凉爽。模块中使用的材料是确定从连接到情况的热电阻及其可靠性的重要元素。具体而言，模板，基材和基本材料的特性是模块热电阻的主要因素。选择表现出较高热导率的材料有助于地减少热电阻和连接温度。除热性能外，选择具有密切匹配的热膨胀系数（CTE）的材料还可以通过减少材料界面和内部的热应力来增加模块的寿命。表1总结了这些热特性。氮化铝（ALN）底物和铜（CU）基础底物是MSIC功率模块的标准配置。氮化硅（SI 3 N 4）底物和铝碳化硅（ALSIC）基础底板的期权可提供更高的可靠性。图2中是标准SP3F和SP6C软件包中的通用功率模块，以及具有DO-160资格的高可易度底板BL1和BL3软件包。
设备坚固性和系统电感
除了模块的热性能和长期可靠性外，电路中断设备中的另一个设计考虑因素是高电感能量。继电器和接触器的周期数量有限。它们通常用卸载的机械切换循环指定，并且电气加载循环较少。系统中的电感导致跨触点的弧形，从而在电流损坏时会降解。因此，电气周期额定值的工作条件是明确定义的，并且对其寿命具有很大的影响。即使那样，在带有接触器或继电器的系统中仍需要上游保险丝，因为接触时可能会焊接在高空短路电流时焊接。固态电池断开连接开关不会遭受这种降解，从而实现了更高的可靠性系统。尽管如此，了解系统的寄生和负载电感和电容对于管理中断高电流时存在的电感能量也至关重要。
图2。Microchip 的MSIC模块中的通用源配置
电感能量与中断时系统中电流的电感和平方成正比。开关输出端子处的短路会导致电流快速增加，以电池电压与源电感的比率的速率上升。例如，具有5微源源电感的800 V总线电压导致电流以每微秒160 a的速率增加。一个5微秒的响应时间来检测和响应将导致电路中的额外电流为800 a。由于不建议在雪崩模式下操作SIC功率模块，因此需要使用这种电感能量来保护模块。但是，在适当设计以满足蠕变和清除要求时，引入了寄生虫，进一步限制了其有效性。因此，开关应足够缓慢地关闭，以限制电压超重，并从模块的内部电感上和电流突然下降。具有低电感的模块有助于进一步地减少这种电压应力。
在硅电源设备中，高电流的快速中断引入了触发寄生虫或晶闸管的风险，这导致无法控制的闩锁和终失败。在SIC设备上，一个非常快速的关闭可能会导致每个芯片中的雪崩崩溃，直到Snubber或夹具吸收高能量为止。 Microchip的MSIC MOSFET经过设计和测试，以进行无贴压的电感开关（UIS）坚固性，随着Snubber或夹具开始降级，提供了额外的安全保证金。图3显示了与市场上其他SIC设备相比，单发和重复的UIS性能。
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