基于安森美SiC JFET的固态断路器解决方案

断路器是一种用于保护电路免受过流、过载及短路损害的装置。它不用于保护人员免受电击，而用于防范此类电击的装置被称为剩余电流装置（RCD） 或接地故障断路器（GFCI） 。该装置可检测泄漏电流并切断电路。

机电式断路器的设计可追溯至 20 世纪 20 年代，如今仍被广泛应用。与早期的熔断器设计相比，断路器具有显著优势 ——可重复使用，而早期的熔断器使用一次后就必须更换。

如今，随着宽禁带半导体技术的发展，固态断路器正占据更大的市场份额。与硅基半导体相比，宽禁带半导体开关在正常运行期间具有更低的通态损耗和更高的效率。

固态断路器（又称电子断路器）不含机械部件，因为其开关核心是半导体。它通过电子元件检测故障状态并切断电路，以确保电气系统的安全性和可靠性。

固态断路器具有响应速度更快、可动态调节的特点，还可连接至智能网络，并支持远程监控。其应用场景十分广泛，涵盖住宅、商业及工业交流（AC）系统；同时也可用于高压直流（HV DC）系统，例如作为电动汽车中高压电池的隔离开关。

固态断路器框图

下图展示了一种采用安森美推荐产品的固态断路器解决方案框图。其中最关键的组成部分是取代传统电磁继电器的开关。栅极驱动器用于控制开关，接口模块则实现器件间的通信。另一核心部分是检测模块，包含电流检测与温度检测功能。为增强系统性能，可集成接地故障断路器（GFCI）。

碳化硅JFET

结型场效应晶体管（JFET）是一种单极晶体管，主要依赖多数载流子进行导电。它与MOSFET类似，都是基于电场效应原理工作，属于电压控制型器件，无需偏置电流。

两者的主要区别在于，JFET是一种耗尽型器件（即默认导通状态），需要施加反向偏置电压才能关断并保持关断状态。虽然某些半导体继电器应用可以从这种默认导通状态中受益，但大多数应用需要的是默认关断状态。通过增加一些外部元件，即使在未施加电源的情况下，也可以构建出一个默认关断的开关。

图1展示了VGS=0且漏源电压VDS近乎为零时SiC JFET的截面结构。该结构代表JFET芯片中数千个并联单元之一。安森美SiC JFET具有两个PN结（二极管）：漏极-栅极和栅极-源极。在这种无偏置状态下，漏极与源极之间存在高导电性沟道，使得电子可双向自由流动，从而实现了安森美SiC JFET特有的低导通电阻特性。

安森美可提供SiC JFET、SiC Cascode JFET和SiC Combo JFET三个系列的产品，每种类型都有其独特性能，适用于不同的应用场景。其中SiC JFET可使固态断路器（SSCB）在高达175°C的机壳材料极限温度下工作；而SiC材料本身能够承受更高的温度。

图1：标注电流路径的纵向JFET结构示意图

SiC JFET

常开型SiC JFET

具备最低的Rds

RDS(VGS2V) = 7 mΩ, RDS(VGS0V) = 8 mΩ

适用于断路器及限流应用

导通状态下JFET的栅源电压（VGS）可直接反映器件结温（TJ），是自监测功率器件的理想解决方案

SiC Cascode JFET

与硅基 MOSFET共封装

常关型

支持标准栅极驱动

内置JFET栅极电阻

适用于高频开关应用

SiC Combo JFET

可独立控制MOS管和JFET的栅极，实现对开关dV/dt的精确调控

可直接驱动JFET栅极，在VGS=+2V条件下RDS(ON)降低10%~15%

简化多个JFET并联使用

采用与分立JFET + MOSFET相同的栅极驱动方式

显著节省电路板空间

图2：JFET（上图）、Cascode JFET（左下图）和Combo-JFET（右下图）的符号示意图

产品核心价值

安森美EliteSiC Combo JFET

SiC Combo JFET 型号： UG4SC075005L8S

将一个 750V 的 SiC JFET 和一个低压Si MOSFET集成在单个TOLL封装中。

750 V, 120 A

超低导通电阻 RDS(ON)： 25 °C 时为 5 mΩ， 175 °C 时为 12.2 mΩ

具备常关特性

优化多个器件并联工作性能

工作温度最高可达 175 °C

具有高脉冲电流能力

极佳器件稳健性

短路耐受能力

采用无引脚 TOLL 封装（MO-229）

图3：UG4SC075005L8S与竞品导通电阻对比（单位：mΩ）

Combo JFET评估板

该评估板展示了基于安森美Combo JFET 器件 UG4SC075005L8S 的固态断路器设计。

SiC Combo JFET是由一个低压Si MOSFET和一个高压SiC常开型JFET组成的复合器件。SiC JFET和Si MOSFET的栅极均可独立接入。与标准共源共栅结构相比，SiC Combo JFET具有以下优势：通过驱动实现更低的导通电阻 RDS(ON)、可完全控制开关速度，以及具备结温检测能力。

图4：Combo JFET评估板正反面视图