英飛凌固態(tài)斷路器參考設(shè)計(jì)：助力高效電路保護(hù)與控制

一、引言

在當(dāng)今的電子系統(tǒng)中，電路保護(hù)至關(guān)重要。固態(tài)斷路器（SSCB）憑借其無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)、快速精確的短路保護(hù)等優(yōu)勢(shì)，成為了電路保護(hù)領(lǐng)域的熱門選擇。英飛凌推出的REF_SSCB_AC_DC_1PH_16A和REF_SSCB_AC_DC_1PH_SiC SSCB參考設(shè)計(jì)，為工程師們提供了一個(gè)優(yōu)秀的解決方案。本文將深入介紹這兩款參考設(shè)計(jì)的特點(diǎn)、使用方法以及性能測(cè)試結(jié)果。

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二、SSCB設(shè)備概述

2.1 基本原理與優(yōu)勢(shì)

固態(tài)斷路器（SSCB）與傳統(tǒng)斷路器不同，它沒(méi)有用于大電流切換/換向的機(jī)械觸點(diǎn)。這種無(wú)運(yùn)動(dòng)部件的設(shè)計(jì)使得SSCB具有無(wú)電弧切換的特性，減少了磨損，提高了可靠性。同時(shí)，固態(tài)開(kāi)關(guān)能夠提供快速、精確且可靠的短路保護(hù)。隨著數(shù)字化和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，SSCB還可以與智能電網(wǎng)技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的監(jiān)測(cè)、控制和安全通信功能。

2.2 參考設(shè)計(jì)特點(diǎn)

英飛凌的這兩款參考設(shè)計(jì)適用于16A額定電流，支持AC（110/230V）或DC（350V）電網(wǎng)供電，通過(guò)軟件在GUI中即可進(jìn)行AC或DC模式的選擇。REF_SSCB_AC_DC_1PH_16A采用CoolMOS? S7T超級(jí)結(jié)功率MOSFET，而REF_SSCB_AC_DC_1PH_SiC則采用CoolSiC?功率MOSFET。這兩款設(shè)計(jì)均采用雙板架構(gòu)，包括功率板和邏輯板。功率板包含功率級(jí)、氣隙裝置和反激式電源，邏輯板則具備低功耗功能，如為XMC MCU供電、模擬信號(hào)處理、隔離背板總線和外部用戶總線基礎(chǔ)設(shè)施。

2.3 主要特性

• 電氣特性
  • 雙向電流阻斷：采用背對(duì)背（B2B）MOSFET作為通道開(kāi)關(guān)，配合TVS二極管鉗位電感能量，實(shí)現(xiàn)雙向電流阻斷。
  • 被動(dòng)散熱：通過(guò)在MOSFET頂部焊接銅散熱片，實(shí)現(xiàn)被動(dòng)散熱。
  • 保護(hù)與監(jiān)測(cè)：具備基于分流電阻的通道電流測(cè)量和過(guò)流檢測(cè)（OCD）、隔離通道輸入和輸出電壓測(cè)量、MOSFET結(jié)溫或靠近源極引腳溫度測(cè)量、過(guò)載（OVL）、過(guò)溫（OVT）、欠壓（UVP）和過(guò)壓保護(hù)（OVP）等功能。
• 可編程性與監(jiān)測(cè)
  • GUI控制：通過(guò)SSCB Demo GUI實(shí)現(xiàn)AC或DC操作選擇、正負(fù)OCD跳閘閾值設(shè)置、過(guò)溫關(guān)機(jī)和恢復(fù)閾值設(shè)置、UVP和OVP閾值設(shè)置、跳閘圖表參數(shù)設(shè)置等。
  • 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與導(dǎo)出：可監(jiān)測(cè)和導(dǎo)出模擬測(cè)量值，如Vin、Vo、I、f、P、功率因數(shù)、OCD閾值參考、Tj或Tntc等。
  • TFT顯示：通過(guò)TFT顯示屏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)V、I、P、f、Tj或Tntc、SSCB狀態(tài)和診斷信息。
• 數(shù)據(jù)記錄與自供電
  • F - RAM數(shù)據(jù)記錄：使用F - RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。
  • 自供電：通過(guò)反激式電源從電網(wǎng)獲取電力，無(wú)需外部電源。

2.4 設(shè)計(jì)差異

2.5 關(guān)鍵參數(shù)

2.6 硬件概述

硬件方面，功率板和邏輯板通過(guò)跳線選擇可兼容不同的功率MOSFET。邏輯板上的連接器用于連接各種外部設(shè)備，如電網(wǎng)輸入、負(fù)載輸出、內(nèi)部背板總線、外部用戶接口總線、調(diào)試接口、TFT顯示屏和鍵盤等。在拆卸塑料外殼時(shí)，需小心解鎖前面板，避免損壞鍵盤和顯示屏的連接電纜。

三、SSCB Demo GUI

3.1 主窗口功能

SSCB Demo GUI是與演示板進(jìn)行通信的重要工具，提供了豐富的監(jiān)測(cè)和可編程選項(xiàng)。主窗口包含連接/斷開(kāi)、通道開(kāi)關(guān)、數(shù)據(jù)讀取、圖形顯示、采集模式選擇、錯(cuò)誤復(fù)位、數(shù)據(jù)讀取回顯等功能按鈕，同時(shí)還顯示通道輸入和輸出電壓、電流、輸入功率、MOSFET結(jié)溫等信息，以及各種狀態(tài)和錯(cuò)誤指示燈。

3.2 配置/診斷窗口

配置/診斷窗口可用于保存和讀取SSCB的配置參數(shù)，如OCD閾值、UVP/OVP閾值、溫度保護(hù)閾值、ADC校準(zhǔn)比例因子和跳閘圖表參數(shù)等。還可以進(jìn)行AC/DC模式選擇、Vin保護(hù)設(shè)置、過(guò)溫保護(hù)設(shè)置、模擬測(cè)量和應(yīng)用內(nèi)V&I校準(zhǔn)等操作。

3.3 跳閘圖表窗口

跳閘圖表窗口用于設(shè)置SSCB的跳閘圖表參數(shù)，包括額定電流、RMS過(guò)電流因子、靜態(tài)過(guò)驅(qū)動(dòng)因子、跳閘積分等。通過(guò)該窗口可以直觀地了解SSCB的跳閘邊界和熱限制。

3.4 實(shí)時(shí)圖形窗口

實(shí)時(shí)圖形窗口以~200Hz或2Hz的更新速率顯示所有模擬測(cè)量值的實(shí)時(shí)圖形。可以選擇顯示模擬信號(hào)和狀態(tài)標(biāo)志，支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出和連續(xù)記錄功能。

四、SSCB前面板

SSCB前面板配備了TFT顯示屏和鍵盤，顯示屏有五個(gè)頁(yè)面可供選擇，分別顯示功率、輸入電壓、通道電流、頻率、MOSFET溫度、邏輯板NTC溫度、MOSFET和繼電器狀態(tài)、錯(cuò)誤標(biāo)志以及硬件和軟件版本信息。每個(gè)頁(yè)面底部顯示SSCB狀態(tài)。

五、使用入門

5.1 基本設(shè)置

啟動(dòng)SSCB演示器的基本設(shè)置包括安裝USB2CAN分析儀的USB驅(qū)動(dòng)程序、開(kāi)啟SSCB通道電源和24V適配器電源、打開(kāi)SSCB Demo GUI應(yīng)用程序并選擇COM端口進(jìn)行連接。連接成功后，即可開(kāi)始使用演示器。

5.2 開(kāi)發(fā)靈活性

在開(kāi)發(fā)階段，可以使用外部19V DC（+/-1V）電源在邏輯板或功率板上進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)在GUI中禁用UVP/OVP保護(hù)。需要注意的是，安全繼電器僅適用于16A RMS電流，若需要超過(guò)該電流能力，需繞過(guò)繼電器觸點(diǎn)。

六、CAN通信

6.1 通信接口

SSCB演示器通過(guò)CAN接口與PC GUI進(jìn)行通信，采用隔離CAN接口，CAN版本為V2.0B active，標(biāo)識(shí)符為標(biāo)準(zhǔn)11位，RX和TX標(biāo)識(shí)符地址均為0x321，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8字節(jié)，波特率為500kbps。

6.2 CAN命令列表

CAN通信使用一系列命令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，包括開(kāi)關(guān)控制、數(shù)據(jù)讀取、配置設(shè)置、固件更新等。具體命令和數(shù)據(jù)格式在文檔中有詳細(xì)說(shuō)明。

七、SSCB Demo性能測(cè)試

7.1 ZVS和ZCS

在AC模式下，通道在零電壓時(shí)開(kāi)啟，在零電流時(shí)關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）和零電流開(kāi)關(guān)（ZCS），減少了開(kāi)關(guān)損耗。

7.2 過(guò)流檢測(cè)（OCD）性能

對(duì)正負(fù)極性的通道DC電流進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)測(cè)試，觀察到CoolMOS?的總關(guān)斷傳播延遲約為880ns，CoolSiC?約為420ns。通過(guò)改變DC電源幅度，測(cè)試了不同di/dt下的OCD性能。

7.3 熱性能

SSCB采用被動(dòng)散熱方式，通過(guò)在MOSFET頂部焊接銅散熱片進(jìn)行散熱。在室溫下，對(duì)不同DC電流進(jìn)行熱測(cè)量，觀察到CoolMOS? S7T的過(guò)溫保護(hù)設(shè)置為Tj = 150°C，SiC變體在散熱片溫度超過(guò)140°C時(shí)關(guān)閉通道。由于MOSFET和NTC之間的熱電容和NTC響應(yīng)時(shí)間的影響，在高脈沖電流水平下，Tntc或TNT的測(cè)量值不如熱電偶準(zhǔn)確。

八、總結(jié)

英飛凌的REF_SSCB_AC_DC_1PH_16A和REF_SSCB_AC_DC_1PH_SiC SSCB參考設(shè)計(jì)為工程師們提供了一個(gè)功能強(qiáng)大、性能可靠的固態(tài)斷路器解決方案。通過(guò)豐富的保護(hù)和監(jiān)測(cè)功能、可編程的GUI界面以及良好的熱性能，這兩款參考設(shè)計(jì)適用于各種需要高效電路保護(hù)和控制的應(yīng)用場(chǎng)景。在使用過(guò)程中，工程師們需要注意安全事項(xiàng)，合理設(shè)置參數(shù)，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類似的固態(tài)斷路器設(shè)計(jì)問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。