随着对直流电网技术的兴趣日益增长，及其在电池储能系统（BESS）和数据中心应用中的快速采用，对固态直流断路器（SSCB）的需求也在加速。SSCB相比传统的保护元件（如保险丝或机械接触器）具有更快的响应时间，这对于管理直流系统中通常存在的高压大电流以及避免BESS灾难性故障至关重要。此外，SSCB可以多次快速切断故障电流，减少潜在损害并确保系统稳定性。相比之下，保险丝仅能用于单次事件，而机械继电器的电流分断寿命远短于其机械寿命。然而，这些断路器内的功率半导体容易发生过压故障，因此需要保护。为此，会采用瞬态电压抑制（TVS）二极管、金属氧化物压敏电阻（MOV）、缓冲电路或其组合等解决方案。TVS二极管能以狭窄的电压容差有效钳制过高的瞬态电压，防止半导体故障，并增强直流电网系统的整体耐用性和效率。另一方面，MOV可以以更小的外形尺寸耗散更高的能量，但代价是更高的电压限制容差和有限的使用寿命。为特定应用选择合适的TVS二极管对于确保现代电力基础设施的安全可靠运行至关重要。此外，就整体电压钳位功能而言，有源钳位提供了另一种机制，用于在关断瞬态期间保护功率半导体。在发生短路事件时，对于绝缘栅双极型晶体管（IGBT），去饱和检测结合软关断有助于在运行期间保护SSCB。图1展示了一个双向固态直流断路器的基本框图。根据电压等级，硅或碳化硅MOSFET或硅IGBT是可用于固态直流断路器的可能功率半导体技术。固态直流断路器对于高可靠性和安全性应用至关重要。特别是在必须避免电弧闪络的情况下，固态直流断路器优于机械接触器[2]。应用领域涵盖广泛，从低压系统（如叉车电池）中的电池保护，到重型商用卡车电池[3]、船舶中的中压BESS[4]，以及工业和数据中心应用中使用的直流电网。一般而言，系统电压越高，过压保护器件就越关键，因为灾难性故障的影响将更为严重。固态直流断路器可以通过使用单个功率半导体开关来设计，例如，采用分立MOSFET（如IXFA230N075T2-7[5]）或分立IGBT（如IXYN220N65A5[6]），或构建为功率模块（如[3]所示），或采用单个开关（如FZ2400R12HE4_B9[7]）。如图1所示，需要增加控制和检测电路以及过压保护。对于工业和新兴的数据中心直流电网，直流断路器需要在标称电压UDC=600...800 V下工作，并在过压UDC=850 V时关断[1]。因此，通常使用阻断能力至少为UCE,max=1200 V（最好是1700 V）的IGBT，以确保能抵御电网瞬变。作为一个通用示例，图2显示了采用三个独立IGBT（如模块[7]中所集成）的单向直流断路器原理图。功率模块[7]的封装内部有三个互不连接的独立开关。因此，需要外部母线排来连接它们，并且需要额外的过压保护。数据手册给出的模块内部总杂散电感仅为6 nH。然而，从封装的外部尺寸来看，如果保护器件和主端子连接仅安装在模块的一侧（即不对称安装，如图2所示），则总回路杂散电感预计可超过100 nH。
为了克服这些挑战，对称布局方法非常重要。图3显示了采用外部TVS二极管和缓冲电容的此类对称方法的原理图。图3 - 具有对称布局和对称TVS保护的单向断路器原理图同样的原理也适用于双向直流断路器开关，无论是用于住宅BESS低于60 VDC和用于数据中心应用的48 V电压水平，还是用于工业BESS的约1kV的更高电压水平。
对于前面描述的示例，必须仔细考虑SSCB应用中功率半导体的过压保护。理想情况下，SSCB不应在全负载电流下开通。它必须能够承受一定的浪涌电流水平而不损坏。更关键的是在标称负载电流条件下，尤其是在短路条件下关断的场景。SSCB内部和负载电缆中固有的杂散电感，会在负载电流发生任何变化时产生感应电压。以FZ2400R12HE4_B9模块[7]为例，假设最大关断电流为ICRM=4800 A，电流斜率为di/dt=10kA/μs，它可以安全运行在UDC=1140 V下。如果存在额外的负载电缆电感Lcable=1μH，则电缆电感中存储的能量将达到11.52 J，如公式1和公式2所示。根据公式3，由电缆电感引起的过电压将达到Ucable=10kV。因此，为了保护IGBT免于击穿，需要一个外部TVS或MOV组件来钳制电压并可靠地耗散电缆的能量。对于给定的FZ2400R12HE4_BE9模块示例，额定6kA的Littelfuse AK6-430C-Y[8]器件可能适用。这个高功率TVS二极管系列是市场上性能最强的分立器件之一。对于电气柜内典型环境温度Tamb=70∘C，最大虚拟结温Tvj=125∘C，以及温度波动ΔT=55 K，根据数据手册[8]，峰值功率需要降额至约85%。在大约100μs的脉冲宽度下，峰值脉冲功率可以从数据手册中读取为约PPPM=1050 kW，这对应于AK6器件可以吸收的能量ETVS,max=105 J。降额到85%的结果是Esurge=89.25 J。反之，这意味着电缆电感的最大值可以达到：Lcable=89.25 J/11.52 J/1μH=7.7μH
为了测试，力特设计了一个小型SSCB原型，以演示整体PCB设计的寄生杂散电感、元器件放置以及SSCB与主电路的连接所产生的影响。该测试板的目标是用于高达96 V的BESS或数据中心电源。四个采用TO-leadless封装的Littelfuse 200 V MOSFET（RDS(on)=10.6mΩ）被并联组装。该测试板包含了为外部连接过压钳位和MOSFET有源钳位而安装TVS二极管的不同选项。此外，到负载电路的外部连接也可以变化。图4展示了测试板的渲染图。
表1. 主端子连接和TVS配置不同组合的可能测试用例测试用例 | 主端子连接 | TVS配置 |
|---|
1 | 不对称 (1-2) | 不对称 (A) |
2 | 对称 (1-3) | 不对称 (A) |
3 | 不对称 (1-2) | 对称 (B) |
4 | 对称 (1-3) | 对称 (B) |
不对称的主端子连接定义为在端子1和2处的电缆连接。这导致负载电流从端子1流经MOSFET SW1-SW4到端子2。对称的主端子连接定义为在端子1和3处的电缆连接。这导致电流从端子1流经MOSFET SW1-SW4到端子3。几何上对称的连接有助于平衡MOSFET的电流分配。
测试用例1和2紧密代表了使用标准功率模块时看到的配置，其中空间限制或较大的组装尺寸限制了将TVS二极管放置在靠近功率半导体开关附近的能力。测试用例3和4包含了对称布局的可能性，并将TVS二极管放置在靠近功率半导体开关的位置。因此，测试用例1预计会显示出最差的结果，而测试用例4在过压保护方面可能会产生最好的结果。本测试用例使用的TVS二极管是标准的Littelfuse 8.0SMDJ100CA[9]现成器件，未经筛选。基于数据手册值，该器件在脉冲宽度td=100μs下可处理高达PpPM=21kW的峰值脉冲功耗，并在T=70°C时需要降额至80%。这对应于Esurge=1.68J的能量处理能力。测试是逐个MOSFET进行的，以统一探头信号并避免公差变化。分别使用罗氏线圈（PEM，CWTUM/6/B）和无源探头（Teledyne LeCroy，PP021）来测量电流和电压。为了模拟较大的电缆电感，使用了一个单独的空心线圈。图5说明了测试设置。
测试用例1和2的测量波形分别如图6和图7所示。TVS二极管不对称地安装在PCB左侧靠近主端子1-2的位置，如图4所示，而电缆在两种测试用例中的连接方式不同。对于测试用例1，在关断事件期间，MOSFET上的过电压随着MOSFET位置距离TVS组件距离的增加而增加。从图6中的测试用例1可以看出，端子处的最大过电压低于139.6V，而SW4处的最大电压达到159.6V。SW1处的电压为152.0V，SW2处为157.2V，SW3处为159.1V。测试用例2的测量波形如图7所示。端子处的最大电压约为128V，而SW4的最大电压为158 V。SW1-SW3上的过电压略有降低。尽管主端子是以对称方式连接到测试板的，但SW2-4的过电压降低幅度没有预期的那么显著。然而，从开关到不对称TVS组件的距离对于每个MOSFET来说仍然增加了，导致较高的过电压。对于测试用例1和2，MOSFET的电流下降时间彼此非常相似。
测试用例3和4的测量波形分别如图8和图9所示。TVS二极管对称地安装在靠近每个MOSFET的位置，而电缆在两种测试用例中的连接方式不同。与测试用例1和2相比，开关SW1到SW4两端的过电压显著降低，降幅超过17%，最高可达22.7%，如表2所示。该电压被钳制在所用额定电压为100 V的8.0SMDJ100CA TVS二极管[9]的击穿电压VBR附近，其最大规定VBR为123 V，见表3。表2. 每个测试用例相对于测试用例1的过电压降低百分比测试用例 | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|
端子 | 100% | -7.6% | -9.7% | -9.7% |
SW1 | 100% | -8.1% | -17.6% | -17.4% |
SW2 | 100% | -4.6% | -21.1% | -20.7% |
SW3 | 100% | -3.4% | -22.2% | -22.0% |
SW4 | 100% | -1.8% | -22.7% | -22.6% |
表3. 每个测试用例在不同测量位置测得的过电压值 (V)测试用例 | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|
端子 | 139.6V | 129.0V | 126.1V | 126.1V |
SW1 | 152.0V | 139.7V | 125.2V | 125.5V |
SW2 | 157.2V | 150.0V | 124.1V | 124.7V |
SW3 | 159.1V | 153.7V | 123.8V | 124.1V |
SW4 | 159.6V | 156.7V | 123.4V | 123.6V |
从图8和图9的波形中也可以明显看出，单个TVS二极管的电流分配是不平衡的。由于TVS二极管设计用于钳制特定电压，钳制电流会随器件的公差而变化。此外，由于其负温度系数特性，无法确保TVS二极管均匀分担电流。因此，通常不建议并联使用TVS二极管。此限制应在设计阶段予以考虑，例如，优化杂散电感。不同机械布局场景下应用于SSCB时的电压钳位性能。呈现的测试结果证实，虽然TVS二极管能有效提供过压保护，但其固有特性限制了它们在并联时均匀分担电流的能力。结果强调了理解寄生杂散电感的影响以及目标TVS二极管的电压容差在过压钳位事件期间相对于MOSFET位置的重要性。在96V BESS或48V数据中心应用的示例中，通常阻断电压为150V的MOSFET就足够了；然而，结果显示，对于高杂散电感设计，虽然选择了相应电压等级的TVS，但仍需要200V的MOSFET。只有在靠近MOSFET处采用对称的TVS安装方式来降低杂散电感，才能显著降低过电压，从而降低对MOSFET电压等级的要求。这强调了在PCB布局和组件的早期工程阶段需要进行彻底的器件研究和布局优化，以确保SSCB的保护可靠高效。未来的研究可能会探索替代方法和组件，以增强过压保护系统中的电流分配和整体性能。
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