英飛凌 固態(tài)繼電器和固態(tài)斷路器時代將至

機電繼電器和斷路器作為一種成熟的技術已廣為人知，大量應用在各種場合，但是它們仍然存在一些固有缺陷。盡管采用基于半導體的固態(tài)技術可以解決這些問題，但設計中又會面臨一系列挑戰(zhàn)。到底，什么才是正確的解決方案呢？

目前，高壓繼電器和斷路器大部分都是機電式的。

除了人們百年來已經習慣使用繼電器和斷路器外，工程領域也普遍認為，半導體技術不適合應用于高壓開關。但近年的功率半導體技術發(fā)展，正在改變這種現(xiàn)象，轉變人們的固有印象，本文就將對此進行介紹。

機電VS固態(tài)

對此，我們有必要回顧一下什么是機電繼電器和斷路器，以及固態(tài)繼電器和斷路器的發(fā)展狀況。

機電繼電器和斷路器產生的噪音來自于它們的物理特性，電磁吸引/放開快速移動的金屬觸點會產生音頻和電氣噪音。其中，機械觸點的動作是一個故障點，壽命有限，疲勞主要發(fā)生在觸點的表面，這是因為接通高電壓可能會產生電弧，導致在觸點在完全接觸之前氣隙已經擊穿，產生弧隙電壓和弧隙電流，并產生高溫，觸點分斷時會出現(xiàn)相同的現(xiàn)象，甚至更嚴重。

這里需要說明的是，觸點在接通和分斷時，觸點會出現(xiàn)交流或直流電壓。接通和分斷交流電壓時不是零電壓開關，則每次繼電器動作時都有可能會產生電弧。最終導致觸點迅速退化，觸點之間的電阻增加，甚至熔合在一起。這也是為什么機電繼電器和斷路器制造商在產品手冊中給出了使用壽命。

使用固態(tài)繼電器切換交流電時，通常會執(zhí)行零電壓開關，可以確保器件電壓達到最低時動作。在切換直流電壓和電流時，可以利用固態(tài)開關快速特性，快速分斷以避免過大的浪涌電流，這最終使得繼電器或斷路器在整個使用壽命期間變得更加可靠，其壽命可能要比機電繼電器/斷路器更長。

工程師喜歡使用機電繼電器/斷路器，其理由非常簡單充分：成本、性能和功能。的確，在成本方面，固態(tài)繼電器/斷路器要高于機電繼電器/斷路器，但考慮到使用壽命以及維護、保養(yǎng)和運行成本，固態(tài)繼電器/斷路器更具成本優(yōu)勢。

在性能方面，最重要的參數(shù)就是觸點開關的電阻引起的功率損耗。對于機電觸點來說，新的時候觸點電阻較低，但隨著時間的推移，觸點電阻勢必會增大，損耗也增大。而使用固態(tài)解決方案時，其功率損耗與導通電阻直接相關，新一代的功率半導體導通電阻有了長足的改進，在使用壽命期間，導通電阻不會發(fā)生變化。在理想情況下，導通損耗和半導體成本，可以通過品質因數(shù)（即面積導通電阻，RDS(on)*A）來表示, 這是半導體制造商的關注重點，也是英飛凌通過CoolMOS?技術平臺的優(yōu)勢。

圖1：超級結MOSFET RDS(on)*A隨耐壓值變化的優(yōu)勢

另一個問題是安全性。固態(tài)開關沒有活動部件，開關速度要比機電開關快得多，這是優(yōu)點，但也存在一個缺點：輸入和輸出之間沒有任何物理斷點，在許多人機接觸界面中，安全法規(guī)對高壓輸入和輸出之間的電氣絕緣有相關規(guī)定。

電氣絕緣是固態(tài)技術的劣勢，所以混合式斷路器或繼電器的概念應運而生，即使用固態(tài)器件來切換高壓，然后機電繼電器做為機械斷點在零電壓、零電流下開關，這時可以選用小規(guī)格的機電開關。

當然，也有許多應用并不需要電氣絕緣，但是，斷路器的現(xiàn)有法規(guī)仍然是依據(jù)機電器件制定的，沒有充分考慮固態(tài)器件的特點和卓越性能。固態(tài)開關的標準正在制定中，就電氣絕緣要求而言，對于某些具體應用，它們可能會不再這么嚴格。

超級結MOSFET的興起

固態(tài)開關是通過功率半導體實現(xiàn)的，迄今為止，使用最為廣泛的材料是硅。對于交流開關，特別是在零電壓開關應用中，三端雙向可控硅開關Triac和可控硅整流器SCR為首選，MOSFET通常用于開關直流電壓，而IGBT可用于交流和直流開關。

但是，這些功率半導體開關都會因為導通電阻而產生損耗，損耗產生熱，可能需要散熱器，最終增加了系統(tǒng)空間和材料清單。

圖2：固態(tài)繼電器的體積大大縮小

超級結MOSFET可以有效降低了導通電阻RDS(on)。自二十世紀九十年代以來，英飛凌始終是超級結MOSFET的領航人，且不斷開發(fā)該技術。與其他MOSFET結構相比，它具有明顯的優(yōu)勢，特別是在按面積計算的導通電阻RDS(on)*A方面，這就相應地降低了損耗，而且成本更低，還可在自然冷卻的條件下，用于更高電壓和電流的應用。

憑借CoolMOS? 7技術，英飛凌成為了RDS(on)*A的領航人。另外，英飛凌發(fā)布一個新技術——CoolMOS? S7，該技術提供更低的RDS(on)*A，并通過適當提高開關損耗，優(yōu)化降低導通電阻。在固態(tài)繼電器和斷路器應用中，這完全符合對器件的性能要求，固態(tài)繼電器和斷路器無需高頻開關。

結語

使用固態(tài)/混合繼電器和斷路器有不少優(yōu)勢，顯著加快開通和分斷時間、消除機電繼電器或斷路器存在的電弧和噪音，從本質上講，擁有更好的可靠性和可預測性，使用壽命也更長，英飛凌CoolMOS? 7 、碳化硅MOSFET和SSI系列固態(tài)隔離器等解決方案正在解決一些常常影響應用的短板。

英飛凌最新的超級結MOSFET平臺在固態(tài)繼電器和智能斷路器設計方面取得了重大突破。它實現(xiàn)了前所未有的RDS(on)*A品質因數(shù)，可滿足設計人員及其最終市場的需求。更重要的是，固態(tài)繼電器比機電繼電器要小得多，節(jié)省安裝空間。

超級結MOSFET只是英飛凌產品家族中的一員，它滿足了電源領域亟待創(chuàng)新的需求。得益于CoolMOS? 7、碳化硅MOSFET、SSI系列固態(tài)隔離器等技術的發(fā)展，固態(tài)繼電器和斷路器的可行性越來越高。英飛凌有著悠久的創(chuàng)新歷史，并將繼續(xù)開發(fā)和交付以更低的成本實現(xiàn)更多優(yōu)勢的解決方案。

本文轉載自公眾號： 英飛凌工業(yè)半導體

審核編輯 黃宇