本教程聚焦SiC JFET 在固態斷路器中的應用，核心內容包括三大板塊，闡釋 SiC JFET 的關鍵特性、系統說明 SiC JFET 如何推動電路保護系統取得重大進步、通過評估和測試結果展示產品性能。作為系列教程的第一部分，本文將介紹浪涌電流、應對不斷攀升的電力需求、為什么要使用固態斷路器。

引言

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

浪涌電流是所有電源在接通時都會產生的現象 ， 主要由以下幾個因素共同作用造成：輸入電路和線路濾波器中的電容開始充電;變壓器鐵芯內部的磁場不斷增強;輸出濾波電容開始儲能。 如果不對浪涌電流加以限制 ， 電源將遭受高達數千安培的電流沖擊。

隨著系統電壓提升至 400 V， 機械式斷路器不再是可行的選擇。 因此， 電氣工程師正積極轉向采用固態斷路器。

相較于機電斷路器 (ECB) ， 固態斷路器 (SSCB) 采用半導體技術， 電路中斷速度提升了三個數量級。 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頻率工作。 SSCB 沒有機械部件， 因此可靠性和工作壽命大大延長。

采用 SiC JFET 的固態斷路器為工程師提供了一種比機電斷路器更快速、 更安全、更可靠的替代方案。 這些器件的開關速度提升高達 1000 倍， 為現代電路保護設計帶來了更大的靈活性。

SiC Combo JFET 是一種復合型器件， 由低壓硅 MOSFET (Si MOSFET) 和高壓常開型 SiC 結型場效應晶體管 (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。

與標準 JFET 結構相比， SiC Combo JFET 具有以下幾個優點：

通過過驅降低導通電阻 RDS(on)

通過 JFET 柵極電阻實現可調開關速度控制

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

Si MOSFET 助力實現常關行為

具備與 5 V 閾值器件的全面柵極驅動兼容能力

簡便的外部配置

增強的可靠性

上面的電源通道示意圖描繪了一個典型的交流 SSCB ， 它利用背靠背、共源 SiC Combo JFET 實現雙向阻斷。 通過這種共源連接， 僅需一個通用柵極驅動器即可實現驅動， 元件數量得以減少。 其他元件包括：

兩組共源配置的開關， 提供雙向電壓和電流

分流電阻 (2)， 用于電流感測

瞬態電壓抑制器 (TVS) ， 用于在電流切斷時吸收寄生電感( 例如線路本身) 中儲存的感應能量

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用中可取代 TVS

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

針對 SSCB 應用， 安森美既有常開型分立式 SiC JFET ， 也有常關型組合封裝。 每個組合封裝將一個 SiC JFET 與一個低壓硅 MOSFET 配對集成。 獨立 JFET 確實擁有一些顯著的優勢， 例如：在相同芯片面積下其導通電阻 (RDS·A) 最低;即使在高能瞬態事件( 如伽馬射線輻射) 作用下， 其參數也不會發生漂移。 獨立 SiC JFET 可采用小型封裝， 例如安森美的 TO 247 -4 。

然而， 大多數現場應用需要常關型 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 將超低導通電阻 JFET 的優勢與具備獨立柵極的 MOSFET 結合， 提升了速度控制能力， 同時簡化了并聯操作。

應對不斷攀升的電力需求

2020 -2027 年特定地區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 年年度電力報告預測， 到 2027 年底， 全球電力需求將繼續以每年 4% 的速度增長 [PDF] ， 而2023 年的增幅為 2.5% 。 IEA 指出， 人們對空調的依賴程度加大， 同時數據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 及以上的設備。由于電容儲存的能量與電壓的平方乘以電容的一半成正比， 即：

因而當電壓線性增長時， 電源預充電電路的應力呈指數增長。 電源的預期耐久性和可靠性變得更加難以實現。 出于實用性考慮， 用作浪涌電流限制器的器件也應充當斷路器， 所以對固態斷路器晶體管的安全工作區域有著更為嚴格的要求。 因此， 對于當今的高壓應用而言， 使用電磁機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架時， 機架中會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架中已有電容相同的電壓。

浪涌電流限制功能解決了這個問題。如果沒有限流， 電流就會出現巨大的峰值， 高達數千安培。 這會導致系統電壓突降， 從而可能引起電源控制器復位。 電容兩端的電壓會迅速上升， 但其危險性遠不及巨大的電流尖峰 。 電壓上升過程延展至遠超過最初數十微秒的時間尺度， 通常是可以接受的。

右圖將充電時間范圍從最初的 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 ， 電壓穩步上升 ， 但速度要慢得多， 危險峰值得以避免。 電壓充電時間延長至整整 30 秒，這通常是可以接受的。 應力被消除， 系統中不存在電壓突變。

這里涉及的權衡是預充電限流器件產生的熱量與充電時間 。 得益于采用組合型 JFET 半導體封裝的固態斷路器， 這一權衡顯得合理且可行。

為什么要使用固態斷路器?

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

機電斷路器 (ECB) 在最佳運行狀態下的電流中斷速度只能達到毫秒量級。

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

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

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

在電壓和電流下切換時 ， 機電斷路器的觸頭經常會因電弧效應而性能下降 。 如左圖所示， 隨著電壓提高 ， 傳統斷路器在負載下可執行的開關周期數會減少 。 顯然，這會縮短斷路器的使用壽命。

相比之下， 負載保持在合理能量限值內的固態斷路器不太容易受到應力的影響 。因此， SSCB 具有幾乎無限的開關周期數 。 當其執行中斷操作時 ， 其使用壽命不會明顯衰減。

固態斷路器的優點

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

智能控制實現節能 ， 例如讓熱水器等電器協調工作， 從而有效控制峰值功耗。

具有自動復位功能的遠程監控 ， 這樣斷路器無需物理翻轉即可復位。

診斷能力， 有助于驗證不尋常的電流模式和行為。

軟啟動電路 ， 通過逐步提高輸出電壓并控制電流斜坡 ， 支持需要大啟動電流的電機負載平穩啟動。

斷路器內部不會產生電弧 ， 因此無需在器件內部進行滅弧處理。

機電斷路器在負載下切換時 ， 內部會產生電弧 。 必須抑制或熄滅這種電弧。 但是， SSCB 不會產生這樣的電弧 。 由此帶來兩大益處：節省大量空間， 同時可靠性大幅提升。

EMB 的使用壽命以其能夠可靠完成的“ 通斷次數” 來衡量。 其接觸系統由動觸頭、 靜觸頭、 操作機構和滅弧室組成。 影響 EMB 使用壽命的關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。

電子斷路器標準

基于半導體技術的斷路器國際標準正在陸續出臺 。 已將基于半導體技術的 SSCB納入考量的現行標準文件包括： EMEA 地區適用的 BS IEC 60947 -10 ：低壓開關設備和控制設備 - 半導體斷路器;北美適用的 UL 489 l - 固態塑殼斷路器調查大綱( 2022 年 3 月) 。

半導體在塑殼斷路器中的應用尚處于起步階段 ， 電氣元件領域尚未就其制造標準達成普遍的行業共識 。 與此同時， UL 正在對此類元件進行認證 ， 以便建筑商和工程師可以向風險管理專業人員證明， 其設備能夠有效防范過流和電擊危險。

未完待續。