本教程聚焦SiC JFET 在固態(tài)斷路器中的應(yīng)用，核心內(nèi)容包括三大板塊，闡釋 SiC JFET 的關(guān)鍵特性、系統(tǒng)說明 SiC JFET 如何推動(dòng)電路保護(hù)系統(tǒng)取得重大進(jìn)步、通過評估和測試結(jié)果展示產(chǎn)品性能。作為系列教程的第一部分，本文將介紹浪涌電流、應(yīng)對不斷攀升的電力需求、為什么要使用固態(tài)斷路器。

引言

斷路器的第二大關(guān)鍵作用 ， 可能是在每次電路通電的瞬間 ， 抑制電流浪涌， 從而有效保護(hù)電子器件免受沖擊。

浪涌電流是所有電源在接通時(shí)都會(huì)產(chǎn)生的現(xiàn)象 ， 主要由以下幾個(gè)因素共同作用造成：輸入電路和線路濾波器中的電容開始充電;變壓器鐵芯內(nèi)部的磁場不斷增強(qiáng);輸出濾波電容開始儲(chǔ)能。 如果不對浪涌電流加以限制 ， 電源將遭受高達(dá)數(shù)千安培的電流沖擊。

隨著系統(tǒng)電壓提升至 400 V， 機(jī)械式斷路器不再是可行的選擇。 因此， 電氣工程師正積極轉(zhuǎn)向采用固態(tài)斷路器。

相較于機(jī)電斷路器 (ECB) ， 固態(tài)斷路器 (SSCB) 采用半導(dǎo)體技術(shù)， 電路中斷速度提升了三個(gè)數(shù)量級。 碳化硅 (SiC) SSCB 具有寬帶隙 (WBG) ， 能夠在更高的電壓下以更高的開關(guān)頻率工作。 SSCB 沒有機(jī)械部件， 因此可靠性和工作壽命大大延長。

采用 SiC JFET 的固態(tài)斷路器為工程師提供了一種比機(jī)電斷路器更快速、 更安全、更可靠的替代方案。 這些器件的開關(guān)速度提升高達(dá) 1000 倍， 為現(xiàn)代電路保護(hù)設(shè)計(jì)帶來了更大的靈活性。

SiC Combo JFET 是一種復(fù)合型器件， 由低壓硅 MOSFET (Si MOSFET) 和高壓常開型 SiC 結(jié)型場效應(yīng)晶體管 (JFET) 組成。 SiC JFET 的源極與低壓 Si MOSFET的漏極相連， 使得 JFET 和 MOSFET 的柵極均可接入。

與標(biāo)準(zhǔn) JFET 結(jié)構(gòu)相比， SiC Combo JFET 具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

通過過驅(qū)降低導(dǎo)通電阻 RDS(on)

通過 JFET 柵極電阻實(shí)現(xiàn)可調(diào)開關(guān)速度控制

通過測量柵源電壓 VGS 壓降( 借助可全面接入的 JFET 柵極) 來監(jiān)測結(jié)溫

Si MOSFET 助力實(shí)現(xiàn)常關(guān)行為

具備與 5 V 閾值器件的全面柵極驅(qū)動(dòng)兼容能力

簡便的外部配置

增強(qiáng)的可靠性

上面的電源通道示意圖描繪了一個(gè)典型的交流 SSCB ， 它利用背靠背、共源 SiC Combo JFET 實(shí)現(xiàn)雙向阻斷。 通過這種共源連接， 僅需一個(gè)通用柵極驅(qū)動(dòng)器即可實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)， 元件數(shù)量得以減少。 其他元件包括：

兩組共源配置的開關(guān)， 提供雙向電壓和電流

分流電阻 (2)， 用于電流感測

瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) ， 用于在電流切斷時(shí)吸收寄生電感( 例如線路本身) 中儲(chǔ)存的感應(yīng)能量

金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 具有比 TVS 高得多的電阻特性， 在峰值電壓相對較高的應(yīng)用中可取代 TVS

RC 緩沖器有助于確定開關(guān)速度， 提供 MOV 激活所需的 10 - 20 ns間隔， 同時(shí)抑制漏極和柵極電壓中的振鈴 ， 并吸收通過導(dǎo)線傳入的系統(tǒng)噪聲

針對 SSCB 應(yīng)用， 安森美既有常開型分立式 SiC JFET ， 也有常關(guān)型組合封裝。 每個(gè)組合封裝將一個(gè) SiC JFET 與一個(gè)低壓硅 MOSFET 配對集成。 獨(dú)立 JFET 確實(shí)擁有一些顯著的優(yōu)勢， 例如：在相同芯片面積下其導(dǎo)通電阻 (RDS·A) 最低;即使在高能瞬態(tài)事件( 如伽馬射線輻射) 作用下， 其參數(shù)也不會(huì)發(fā)生漂移。 獨(dú)立 SiC JFET 可采用小型封裝， 例如安森美的 TO 247 -4 。

然而， 大多數(shù)現(xiàn)場應(yīng)用需要常關(guān)型 SSCB 。 針對此類情況， 安森美提供 SiC JFET +Si MOSFET 組合封裝， 包括 TO 247 -4 和多功能 H-PDSO -F8 功率雙通道小尺寸TOLL ( TO -無引腳) 封裝 。 PDSO 將超低導(dǎo)通電阻 JFET 的優(yōu)勢與具備獨(dú)立柵極的 MOSFET 結(jié)合， 提升了速度控制能力， 同時(shí)簡化了并聯(lián)操作。

應(yīng)對不斷攀升的電力需求

2020 -2027 年特定地區(qū)電力需求同比變化百分比

資料來源：國際能源署， 2025 年 2 月

國際能源署 2025 年年度電力報(bào)告預(yù)測， 到 2027 年底， 全球電力需求將繼續(xù)以每年 4% 的速度增長 [PDF] ， 而2023 年的增幅為 2.5% 。 IEA 指出， 人們對空調(diào)的依賴程度加大， 同時(shí)數(shù)據(jù)中心處理能力的需求也在加速增長。

IEA 指出， 造成全球電力需求加速增長的主要是工作電壓在 400 V 及以上的設(shè)備。由于電容儲(chǔ)存的能量與電壓的平方乘以電容的一半成正比， 即：

因而當(dāng)電壓線性增長時(shí)， 電源預(yù)充電電路的應(yīng)力呈指數(shù)增長。 電源的預(yù)期耐久性和可靠性變得更加難以實(shí)現(xiàn)。 出于實(shí)用性考慮， 用作浪涌電流限制器的器件也應(yīng)充當(dāng)斷路器， 所以對固態(tài)斷路器晶體管的安全工作區(qū)域有著更為嚴(yán)格的要求。 因此， 對于當(dāng)今的高壓應(yīng)用而言， 使用電磁機(jī)械斷路器已不再可行。

熱插拔的浪涌問題

將新電源熱插拔到電源機(jī)架時(shí)， 機(jī)架中會(huì)立即涌入巨大的浪涌電流 。即使插入的電容已大部分充電， 這種電流尖峰仍可能發(fā)生。 為了盡可能避免尖峰， 所插入單元的電容需要具有與電源機(jī)架中已有電容相同的電壓。

浪涌電流限制功能解決了這個(gè)問題。如果沒有限流， 電流就會(huì)出現(xiàn)巨大的峰值， 高達(dá)數(shù)千安培。 這會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電壓突降， 從而可能引起電源控制器復(fù)位。 電容兩端的電壓會(huì)迅速上升， 但其危險(xiǎn)性遠(yuǎn)不及巨大的電流尖峰 。 電壓上升過程延展至遠(yuǎn)超過最初數(shù)十微秒的時(shí)間尺度， 通常是可以接受的。

右圖將充電時(shí)間范圍從最初的 30 μs 延長至約 30,000 μs 。 虛線代表無浪涌電流限制的電流和電壓水平;實(shí)線代表有電流限制的電壓和電流水平。

通過限制浪涌電流 ， 電流完全固定在較低水平 ， 電壓穩(wěn)步上升 ， 但速度要慢得多， 危險(xiǎn)峰值得以避免。 電壓充電時(shí)間延長至整整 30 秒，這通常是可以接受的。 應(yīng)力被消除， 系統(tǒng)中不存在電壓突變。

這里涉及的權(quán)衡是預(yù)充電限流器件產(chǎn)生的熱量與充電時(shí)間 。 得益于采用組合型 JFET 半導(dǎo)體封裝的固態(tài)斷路器， 這一權(quán)衡顯得合理且可行。

為什么要使用固態(tài)斷路器?

配備碳化硅 (SiC) JFET 的斷路器能夠在小于一微秒的時(shí)間內(nèi)中斷電流， 其電流切斷速度通常在納秒量級。 作為對比：

機(jī)電斷路器 (ECB) 在最佳運(yùn)行狀態(tài)下的電流中斷速度只能達(dá)到毫秒量級。

超級結(jié) (SJ) MOSFET 在電壓 <600 V 時(shí)電阻較低， 但在電壓 >600 V 時(shí)， 電阻會(huì)變得過大。

絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 通常用于電壓 >3000 V 的場合， 但在導(dǎo)通過程中，其功率損耗過大， 因此其效率可能會(huì)迅速降低。

當(dāng)斷路器的響應(yīng)速度提升 1000 倍時(shí)， 故障能量的注入時(shí)間會(huì)大幅縮短。 電弧根本來不及形成， 因此完全消除電弧閃光成為可能 。 這使得固態(tài)斷路器的安全性大幅提升， 尤其是在直流應(yīng)用中， 同時(shí)在許多交流應(yīng)用中也展現(xiàn)出更高的安全性。

在電壓和電流下切換時(shí) ， 機(jī)電斷路器的觸頭經(jīng)常會(huì)因電弧效應(yīng)而性能下降 。 如左圖所示， 隨著電壓提高 ， 傳統(tǒng)斷路器在負(fù)載下可執(zhí)行的開關(guān)周期數(shù)會(huì)減少 。 顯然，這會(huì)縮短斷路器的使用壽命。

相比之下， 負(fù)載保持在合理能量限值內(nèi)的固態(tài)斷路器不太容易受到應(yīng)力的影響 。因此， SSCB 具有幾乎無限的開關(guān)周期數(shù) 。 當(dāng)其執(zhí)行中斷操作時(shí) ， 其使用壽命不會(huì)明顯衰減。

固態(tài)斷路器的優(yōu)點(diǎn)

面對故障時(shí)具有更高的選擇性 ， 例如根據(jù)電流曲線設(shè)置動(dòng)作閾值。 如果電流曲線顯示出危險(xiǎn)跡象， 可將斷路器設(shè)置為更早地中斷電流 ， 而不是將動(dòng)作閾值設(shè)置得非常高。

智能控制實(shí)現(xiàn)節(jié)能 ， 例如讓熱水器等電器協(xié)調(diào)工作， 從而有效控制峰值功耗。

具有自動(dòng)復(fù)位功能的遠(yuǎn)程監(jiān)控 ， 這樣斷路器無需物理翻轉(zhuǎn)即可復(fù)位。

診斷能力， 有助于驗(yàn)證不尋常的電流模式和行為。

軟啟動(dòng)電路 ， 通過逐步提高輸出電壓并控制電流斜坡 ， 支持需要大啟動(dòng)電流的電機(jī)負(fù)載平穩(wěn)啟動(dòng)。

斷路器內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生電弧 ， 因此無需在器件內(nèi)部進(jìn)行滅弧處理。

機(jī)電斷路器在負(fù)載下切換時(shí) ， 內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生電弧 。 必須抑制或熄滅這種電弧。 但是， SSCB 不會(huì)產(chǎn)生這樣的電弧 。 由此帶來兩大益處：節(jié)省大量空間， 同時(shí)可靠性大幅提升。

EMB 的使用壽命以其能夠可靠完成的“ 通斷次數(shù)” 來衡量。 其接觸系統(tǒng)由動(dòng)觸頭、 靜觸頭、 操作機(jī)構(gòu)和滅弧室組成。 影響 EMB 使用壽命的關(guān)鍵因素是觸頭磨損的累積程度 ， 而 SSCB 則完全不受這一因素影響。

電子斷路器標(biāo)準(zhǔn)

基于半導(dǎo)體技術(shù)的斷路器國際標(biāo)準(zhǔn)正在陸續(xù)出臺(tái) 。 已將基于半導(dǎo)體技術(shù)的 SSCB納入考量的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)文件包括： EMEA 地區(qū)適用的 BS IEC 60947 -10 ：低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 - 半導(dǎo)體斷路器;北美適用的 UL 489 l - 固態(tài)塑殼斷路器調(diào)查大綱( 2022 年 3 月) 。

半導(dǎo)體在塑殼斷路器中的應(yīng)用尚處于起步階段 ， 電氣元件領(lǐng)域尚未就其制造標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成普遍的行業(yè)共識 。 與此同時(shí)， UL 正在對此類元件進(jìn)行認(rèn)證 ， 以便建筑商和工程師可以向風(fēng)險(xiǎn)管理專業(yè)人員證明， 其設(shè)備能夠有效防范過流和電擊危險(xiǎn)。

未完待續(xù)。