固態斷路器參考設計用戶指南：從原理到實踐

在電力系統中，斷路器是保障電路安全運行的關鍵設備。傳統的機械斷路器在應對高速、高精度的電路保護需求時，逐漸顯現出其局限性。固態斷路器（SSCB）作為一種新興的技術，憑借其無機械觸點、快速響應和高可靠性等優勢，正逐漸成為電力電子領域的研究熱點。本文將基于英飛凌的固態斷路器參考設計用戶指南，深入探討SSCB的設計原理、功能特點以及實際應用中的注意事項。

文件下載：Infineon Technologies SSCB評估套件.pdf

一、SSCB概述

1.1 設計背景與目標

固態斷路器通過半導體開關實現電路的通斷控制，避免了傳統機械斷路器在切換過程中產生的電弧和磨損問題，從而提高了斷路器的可靠性和使用壽命。英飛凌的REF_SSCB_AC_DC_1PH_16A和REF_SSCB_AC_DC_1PH_SiC兩款參考設計，旨在為工程師提供一個基于CoolMOS? S7T和CoolSiC?功率MOSFET的固態斷路器解決方案，適用于16A額定電流的交流（110/230V）或直流（350V）電網供電系統。

1.2 主要特點

• 雙向電流阻斷能力：采用背對背（B2B）功率MOSFET配置，實現了雙向電流的阻斷，適用于不同的電路應用場景。
• 被動散熱設計：通過頂部散熱（TSC）概念，將銅散熱器焊接在MOSFET上，實現了高效的散熱，確保了斷路器在高溫環境下的穩定運行。
• 外部用戶接口：提供高速CAN和數字抑制輸入接口，方便用戶進行遠程控制和監測。
• 隔離通信總線：采用隔離的背板通信總線，支持多通道配置，提高了系統的擴展性和靈活性。
• 保護與監測功能：具備過流檢測（OCD）、過溫保護（OVT）、欠壓保護（UVP）和過壓保護（OVP）等多種保護功能，同時支持實時監測和數據記錄。

二、SSCB硬件設計

2.1 硬件架構

SSCB參考設計采用雙板設計，包括功率板和邏輯板。功率板負責功率轉換和電路保護，邏輯板則負責信號處理、控制和通信。

2.2 功率板設計

功率板主要包括功率級、氣隙裝置和反激式電源。功率級采用B2B MOSFET作為通道開關，通過TVS二極管鉗位電感能量，確保了開關過程的穩定性。氣隙裝置用于在通道關閉時提供電氣隔離，提高了系統的安全性。反激式電源則為邏輯板和其他電路提供隔離的電源。

2.3 邏輯板設計

邏輯板集成了低功耗功能，如XMC MCU的電源生成、模擬信號處理、隔離背板總線和外部用戶總線基礎設施。邏輯板通過外部24V電源供電，為用戶提供了便捷的操作接口。

2.4 隔離設計

為了確保系統的安全性和可靠性，SSCB參考設計采用了兩個隔離域：功能特低電壓（FELV）和安全特低電壓（SELV）。FELV域通過反激式轉換器從電網生成隔離的19V電源，為主要的MCU和模擬電路供電。SELV域則通過外部SELV-compliant 24V電源供電，提供隔離的CAN接口，用于與SSCB Demo GUI進行通信。

三、SSCB軟件設計

3.1 SSCB Demo GUI

SSCB Demo GUI是一個用于與演示板進行通信的圖形用戶界面，提供了豐富的監測和編程選項。通過GUI，用戶可以選擇AC或DC操作模式、設置過流和過溫保護閾值、進行應用內校準等操作。

3.2 主要功能模塊

• 主窗口：提供連接、開關控制、數據讀取和圖形顯示等功能，方便用戶實時監測電路狀態。
• 配置/診斷窗口：允許用戶設置過流閾值、SSCB配置選項、過溫保護閾值等參數，并進行應用內校準。
• 跳閘圖表窗口：顯示SSCB的跳閘曲線和參數，幫助用戶了解斷路器的保護特性。
• 實時圖形窗口：實時顯示模擬測量數據，支持數據導出和長期記錄。

四、SSCB性能測試

4.1 ZVS和ZCS測試

在交流模式下，SSCB在零電壓時開啟通道，在零電流時關閉通道，實現了零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS），降低了開關損耗和電磁干擾。

4.2 過流檢測（OCD）性能測試

通過對正負極性的直流電流進行過流檢測測試，驗證了SSCB在不同di/dt條件下的過流保護能力。測試結果表明，CoolMOS?和CoolSiC?的總關斷傳播延遲分別約為880ns和420ns，確保了快速的過流響應。

4.3 熱性能測試

通過在不同直流電流下進行熱性能測試，評估了SSCB的散熱能力和熱保護特性。測試結果表明，SSCB采用的被動散熱設計能夠有效降低MOSFET的溫度，確保了在高溫環境下的穩定運行。

五、注意事項

5.1 安全問題

在使用SSCB參考設計時，需要注意以下安全問題：

• 測試過程中，評估或參考板連接到電網輸入，使用示波器測量電壓波形時需采取適當的防護措施，避免觸電和設備損壞。
• 參考板上的16A機械繼電器僅作為安全繼電器使用，超出制造商規格使用可能會導致繼電器觸點損壞。
• 在進行接線或維護工作前，務必斷開電網輸入電源，避免觸電危險。

5.2 硬件安裝與調試

• 安裝過程中，需注意去除不必要的包裝材料，避免影響系統的散熱和正常運行。
• 邏輯板通過跳線選擇可兼容CoolMOS? S7T和CoolSiC?功率板，安裝時需根據實際需求進行正確配置。

5.3 軟件配置與校準

• 使用SSCB Demo GUI進行軟件配置時，需確保參數設置正確，避免因誤操作導致系統故障。
• 為了提高測量精度，建議在SSCB額定值下進行應用內校準。

六、總結

固態斷路器作為一種新興的技術，為電力系統的保護和控制提供了更加高效、可靠的解決方案。英飛凌的固態斷路器參考設計結合了CoolMOS? S7T和CoolSiC?功率MOSFET的優勢，具備雙向電流阻斷、快速過流保護、高效散熱等特點，適用于多種電力應用場景。通過本文的介紹，希望能夠幫助工程師更好地理解和應用固態斷路器技術，推動電力電子領域的發展。你在實際應用中是否遇到過類似的問題？你對固態斷路器的未來發展有什么看法？歡迎在評論區分享你的經驗和觀點。