智能断路器开发首选SCR：超小尺寸，支持 750 V浪涌峰压

来源：意法半导体博客

X0115ML是ST为接地故障断路器 (GFCI) 和电弧故障断路器(AFCI)设计的首款断态浪涌峰值电压750 V的紧凑型可控硅整流器(SCR)，SOT23-3L微型封装 (2.75 mm x 3.10 mm)，可能是当今市场上最小的晶闸管，工程师可以节约很大的电路板空间，同时让工业应用具有 600 V 的断态重复峰值电压。此外，1.1 mm 的爬电距离满足 UL 840规范的120 V AC无涂层绝缘要求。

为什么要设计工业 GFCI 和 AFCI？

关系生命安全的设计

断路器

根据美国劳工统计局 2021 年致死工伤调查（在册最新一年的数据），因接触有害物质或环境致死的 798 人中，触电是第二大死因（152 人），仅次于接触有害物质（551人）致死。 简而言之，触电伤亡是工厂工人和在工业环境中工作的工人面临的一个真实风险，尤其是在有水的情况下，风险程度非常高，即使是 10 mA 的“小”电流也能引起严重的休克，而 50 mA 足以引起肌肉收缩，使心脏骤停或引起呼吸窘迫。

预防触电

为了保护人们用电安全，美国国家电气法规开始要求在住宅设备中使用 GFCI断路器，并于 2000 年出台了高压工业环境（480 V 至 600 V）法规。大多数人都熟悉断路器中的传统的 GFCI。该系统监视火线和零线的电流，以确定从插座流出的电流是否返回地线。如果两条电线的电流相等，则一切正常。如果存在差异，系统就会认为电流向其他地方，例如，流经触电的人体。在这种情况下，GFCI 就会使火线和零线之间的电路跳闸，中断电流。

预防电气火灾

另一方面，AFCI 监测电弧形状和电弧幅度，检测危险情况，防止发生电气火灾。 因此，AFCI 的电子设计比 GFCI 更加复杂。电弧故障可能是由电线松动或过热或电流流过意外物体引起的。所有这些事件都会产生高强度和大规模的温度激增，如果不加以控制，将会引发电气火灾。腐蚀或液体也会导致电弧故障，在工业环境中，这可能造成严重后果。

让工厂变得更智能

除了此类产品适用的国家法规之外，制造商还设计更智能的 GFCI 和 AFC，将其连接到云端，收集更多的用电数据，实现自动化操作。当想要简化设备维护时，断路器远程重置是一个非常有用的功能。然而，这些功能需要更多的电子元器件，例如，微控制器、射频收发器、传感器等。因此，新的GFCI 和 AFCI 必须封装更多的组件，但是电路板尺寸必须保持不变，这意味着工程师必须寻找更小的组件，才能提高总体设计密度。然而，考虑到产品的关键特性，他们不能为了更小的封装而牺牲器件性能及稳定可靠性。

X0115ML，在工业 GFCI 或 AFCI 中集成可控硅整流器，需要注意些什么？

栅极触发电流

X0115ML的标记符号

SCR是GFCI 或 AFCI 的核心组件，栅极灵敏度是许多人关注的SCR的第一个技术特性。过去，工业环境中的设备不能太灵敏，否则会导致误跳闸，保护设备会认为存在故障，而实际上并没有故障。究其原因，随着设备使用的功率显著增加，正常电流变化明显高于住宅用设备。X0115ML 的栅极触发电流范围是 30 µA 至 150 µA，灵敏度足以适合各类应用，同时仍然符合工业环境标准。

浪涌峰值电压

另一个关键指标是断态浪涌峰值电压，这是决定晶闸管鲁棒性的关键指标。事实上，为了达到预期效果，尤其是在工业环境中，SCR 必须能够应对非常高的尖峰电压。传统上，大功率系统器件的断态浪涌峰值电压是700 V，而 X0115ML 则升至 750 V。因此，工程师可以享受更大的电压安全裕量，并可以在更多设备中使用 ST 器件。此外，我们还提供了更强的 EMI 保护措施，以提高其在使用寿命内的鲁棒性。

封装尺寸与整体尺寸

最后，随着智能电路中断器市场激增，对电子元器件的需求日益提高，尺寸成为一个越来越重要的衡量指标。通常，工业 GFCI 和 AFCI用 SCR采用 SOT-223 封装。因此，通过改用 SOT-23-3L封装，我们可以将器件整体占板面积减少到标准封装的五分之一，而不会影响性能或 UL 840 要求。X0115ML 甚至比X0115MUF, 还要小，后者具有相同的栅极触发电流和直接浪涌电压，不同的是采用5.6 mm x 3.05 mm 的 SMBflat-3L 封装。

审核编辑 黄宇