直流电网需要大量保护措施来防止短路故障和快速增加的过载。这对于保持直流系统的可靠性和安全性至关重要，直流系统正在越来越多地被使用。

什么是固态断路器？

先进的配电系统称为固态断路器 (SSCB)，它使用电子元件代替机械元件，在发生故障时切断电流。与传统的机械断路器相比，它具有更高的性能、可靠性和效率。

功率半导体的分类

功率半导体器件可分为

● 完全控制的设备，如IGBT和MOSFET

● 半控设备，如晶闸管

● 不受控制的设备包括二极管

固态断路器对功率半导体的要求

这些功率半导体的目的是在固态断路器的开关模式功率转换器中发挥作用 。相反，降低导通状态损耗应该是固态断路器中高功率半导体器件的主要目标；在这些情况下，开关性能不那么重要。这表明开关速度和导通状态功率损耗是设计中的权衡。

因此，可用的两个选择是开发以降低开关速度为代价降低导通损耗的设备，或者使用当前技术来维持导通损耗。

用于固态断路器的功率半导体器件

全控型设备只能用于标准固态直流断路器。对于低压至中压直流固态断路器， 电压等级为 1200 - 1700 V 的全控型硅和碳化硅设备是合适的。

如图 1 所示，根据引起电流流动的电荷载体类型，这些器件可分为

● 双极型（例如IGBT）

● 单极（例如 MOSFET 和 JFET）

图 1 功率半导体的分类  来源：IEEE Access

每种类型的器件的主体和栅极区域具有不同的设计结构，从而导致不同的设计阶段和新器件的出现。

绝缘栅双极晶体管

IGBT 相对于其他大功率半导体器件的优势在于

● 电压控制门

● 高阻断电压下的耐久性

如图 2 所示，IGBT 可分为

● 穿通型（PT）IGBT

● 非穿通型（NPT）IGBT

●  FS/XPT/SPT/LPT IGBT

●  BiMOSFET 结构

图 2 IGBT 半导体的分类。来源：IEEE Access

穿通型 (PT) IGBT

它们适用于低阻断电压。它具有

●  n 型外延漂移层

● 厚的、高掺杂的 p+ 基板。

● 薄且高掺杂的 n+ 缓冲层

非穿通 (NPT) IGBT 

如图 3 所示，它们具有

● 更厚的n外延漂移层

● 更薄的 p+ 基板

● 无 n+ 缓冲层

NPT IGBT 由于其漂移层较厚，因此

● 减少开关损耗

● 提高切换稳健性

● 更大的阻断电压

图 3 NPT IGBT 示意图。来源：IEEE Access

FS/XPT/SPT/LPT IGBT

然而，由于NPT漂移层较厚，导致导通损耗较大，因此产生了其他IGBT结构，包括

● 软穿通（SPT）

● 光穿通（LPT）

● 视场光阑（FS）

● 超强光穿透（XPT）

与NPT结构相比，在较薄的n外延漂移层下方增加了一层较薄的n缓冲层，而p衬底仍与NPT结构类似。典型的FS/XPT/SPT/LPT IGBT结构如图4所示。

图 4 FS/XPT/SPT/LPT IGBT 示意图。来源：IEEE Access

这导致漂移区电场呈梯形分布，从而导致正向压降减小。

BiMOSFET 结构

已经生产出双极金属氧化物半导体场效应晶体管 (BiMOSFET)，采用如图 5 所示的 n+ 集电极短路模式，同时保留通常的 NPT IGBT 结构。BiMOSFET 的额定电压通常在 1600 至 3600 V 之间。

图 5 BiMOSFET 示意图。来源：IEEE Access

门结构

沟槽栅极 IGBT 采用与平面栅极 IGBT 不同的栅极层设计，以降低正向压降。如图 6 所示，可以使用沟槽栅极技术或平面技术创建所示的 IGBT 结构，例如 NPT、FS/XPT/SPT/LPT。

图 6 门结构类型 来源：IEEE Access

图 7 显示了具有沟槽栅极的典型 NPT IGBT 结构。然而，具有沟槽栅极的商用 NPT IGBT 的最大电压为 1200 V。

 

图 7 带沟槽栅极的 NPT IGBT 示意图。来源：IEEE Access

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管

在电源转换器中，替代硅 IGBT 的最佳单极 SiC 有源器件是 SiC MOSFET。这主要是因为电压控制栅极。SiC MOSFET 结构与 PT IGBT 之间的主要区别在于没有 p+ 衬底。

SiC MOSFET 在技术上与 IGBT 类似，可以采用平面或沟槽栅极结构生产，如图 8 所示，阻断电压为 1200 – 1700 V。与平面 SiC MOSFET 设计相比，沟槽 SiC MOSFET 的设计可最大程度降低导通电阻并降低开关能量。

图 8 SiC MOSFET 结构示意图 a) 平面栅极和 b) 沟槽栅极。来源：IEEE Access

碳化硅结型场效应晶体管

SiC JFET 是固态断路器的另一个重要选择。SiC JFET 通常是开启状态（增强模式）或关闭状态（耗尽模式）的器件，如图 9 和 10 所示。目前市场上 SiC JFET 的阻断电压范围为 1200 至 1700 V。

此外，与 SiC MOSFET 技术相比，由于缺少栅极氧化层，SiC JFET 技术在长期和高温运行中更加可靠。

图 9 SiC JFET 的类型 来源：IEEE Access

图 10 SiC JFET 结构示意图：(a) 耗尽模式（常开）和 (b) 增强模式（常关）。来源：IEEE Access

常开（增强模式） 

增强型 JFET 通常是关断器件，当它们导电时，需要大量的栅极电流，从而导致随着时间的推移栅极驱动器损耗较大。

常闭（耗尽模式）

相反，耗尽型 JFET 不需要栅极电源保持导通状态，因为它们是常导通器件。这些器件即使在高于 1700 V 的电压下也能正常工作，常导通 SiC JFET 已被视为固态直流断路器设计的合适器件。

总结要点

● 固态断路器取代了传统的机械元件，提高了配电系统的性能和可靠性。

● 功率半导体在固态断路器中起着至关重要的作用，重点是减少导通状态损耗以实现最佳效率。

● 设计大功率半导体器件涉及平衡导通损耗和开关速度，以满足开关模式电源转换器的要求。

● 讨论了不同类型的功率半导体、它们的优点以及断路器的局限性。