使用安森美SiC JFET优化固态断路器设计

本文作者：Michal Csiba，安森美（onsemi）技术市场分析师

断路器是一种用于保护电路免受过电流、过载及短路损坏的器件。机电式断路器 (EMB) 作为业界公认的标准器件，包含两个独立触发装置：一个是双金属片，响应速度较慢，由过电流触发跳闸；另一个则是电磁装置，响应速度较快，由短路触发启动。EMB 拥有设定好的跳闸电流（通常为固定值），具备瞬时跳闸（电磁触发）和延时跳闸（热触发/双金属片触发）两种特性，可稳妥可靠地应对短路与过载情况。

尽管 EMB 结构简单、效果可靠，但依然存在一些缺点。其一便是速度问题，EMB 的动作时间处于毫秒级，在此期间故障电流仍可能造成设备损坏，甚至对人员造成伤害。其二则是电弧问题，当触点分离时会产生电弧，必须安全消散电弧能量，而这一过程会给断路器带来热应力与机械应力。

用半导体开关替代机械触点可彻底消除电弧，因为电流切断是在物理触点分离前通过电子方式完成的。半导体开关能在微秒级时间内关断，大幅降低短路峰值电流。此外，与机械部件不同，半导体开关专为高频操作设计，且不会随时间推移而老化。这类采用半导体开关的器件被称为固态断路器 (SSCB)，通常用于保护直流电路与交流电路。

了解固态断路器

SSCB 的优势显而易见：半导体开关的切换速度更快、可靠性更高，耐用性更强（无磨损损耗），且具备更精准的控制能力。在发生故障时，更快的断开速度更具优势，而半导体开关的速度是机械开关的一千倍以上。此外，由于本身就需配备控制电子元件，这类断路器还可集成其他新功能，例如电流与电压监控、电流限值调整，以及残余电流装置等其他安全附加功能。

SSCB 的核心是半导体开关，它取代了传统的机电式继电器。SSCB 的工作原理是：监测电路的电流与温度，然后将监测数据传输至微控制器单元 (MCU)；MCU 持续监控电流与温度，以检测故障，并在微秒级时间内触发保护性关断。发生跳闸时，MCU 会向栅极驱动器发送指令，令开关“关断”。所有这些过程加起来，耗时远少于 EMB。

图1：固态断路器框图

为保障安全，可增设一个可选的机械继电器，在半导体开关关断后实现物理隔离。此举能消除电弧，且继电器仅需处理微弱的漏电流。由于继电器在半导体开关之后动作，工作过程中不会产生电弧，因此无需具备耐受短路电流的额定能力。继电器可切断半导体器件产生的漏电流，通常为数百微安 (µA)。此外，与机械断路器不同，SSCB 同时连接相线与中性线，而继电器能实现设备的完全断电。

半导体开关分类

用半导体开关替代机械开关的想法早已存在，但长期以来，半导体技术的发展水平一直是制约这一构想落地的关键因素。如今，随着宽带隙技术的不断进步，适用于低压住宅与商业电网的固态器件已开始逐步涌现。

阻碍 SSCB 大规模市场化应用的因素之一是导通电阻。尽管现代半导体开关（尤其是 MOSFET）的导通电阻已处于较低值，但仍远高于机械触点的导通电阻。

过去几年间，碳化硅 (SiC) 结型场效应晶体管 (JFET) 已成为推动 SSCB 发展的主流技术。这种器件既充分利用了碳化硅材料的特性，如高导热性、更高电压等级与更低损耗，又融合了 JFET 结构的优势。在当前市场中，JFET 的单位面积导通电阻 (RDS(ON)) 最低，而且与 MOSFET 一样采用电压控制方式。原因是这种器件采用了结型栅极结构（与 MOSFET 的氧化层栅极不同），能提供直接的漏源极电流通路，电荷俘获效应极小，表面漏电流也可忽略不计。

图 2：JFET 结构

但低导通电阻的不足之处在于，JFET 具有常开特性，倘若栅极悬空或无栅极电压，器件将处于完全导通状态。这种特性在大多数应用场景与控制方案中通常是不利因素，因为故障发生时，器件的理想状态应为关断状态。

将JFET 与常开型Si MOSFET 串联，可制成常关型器件。其中，Si MOSFET 起到SiC JFET 使能开关的作用，同时保留JFET 结构的优势。这种结构被称为共源共栅结构，用途广泛，可适用于多种应用场景。共源共栅型 JFET (CJFET) 具备灵活的栅极驱动能力与低开关损耗，但仅能控制低压 Si MOSFET 的栅极，而且开关速度过快，不适用于 SSCB。

另一种可用的结构是组合型JFET，同样在单个封装内集成了低压MOSFET 与JFET。不同之处在于，组合型JFET 允许分别控制MOSFET 与JFET 的栅极，从而能更灵活地调控开关的电压变化率(dV/dt)。通过对 JFET 栅极施加过驱动电压，这种结构还能进一步降低 RDS(ON)。尽管栅极电压为 0 V 时 JFET 已处于导通状态，但施加正向栅极电压可增强沟道导电性，进而降低 RDS(ON)。具体可参考图 3。

图 3：组合型 JFET 输出特性

如前所述，功耗仍是阻碍 SSCB 进一步推广的最大限制因素。若要将 SSCB 用于住宅场景，就必须与当前使用的设备保持向后兼容，而现有设备中留给散热的空间十分有限。机械断路器的电流通路电阻极低，因此损耗也非常小。SSCB 的功耗来源不仅包括 FET 的导通电阻，还包括控制电子元件的功耗；这类功耗大致保持恒定，且不受负载影响。

由于 JFET 仅能阻断从源极到漏极方向的电压，因此当用于交流阻断时，需采用背对背结构。这项要求会使电路设计进一步复杂化，因为它会使沟道电阻实际增加一倍。因此，为降低总 RDS(ON)，通常会采用并联结构。由此也进一步凸显了组合型 JFET 作为优选开关的优势，因为组合型 JFET 不仅支持并联运行，而且能简化并联操作。

当 SSCB 发生故障时，电流会开始上升并通过半导体流向负载，直至器件关断。在关断过程中，电压会急剧升高，此时过电压会触发电压钳位电路，保护 MOSFET 免受雪崩击穿影响。故障电流会继续通过钳位电路流向负载，直至完全关断。电路中（包括导线和感性负载）存储的电感能量会在钳位电路中释放。检测速度越快，电流上升幅度越小，所需释放的能量就越少，相应地，钳位电路的体积也可做得更小。

在电压钳位应用中，最常用的两种器件是金属氧化物压敏电阻 (MOV) 和瞬态电压抑制二极管 (TVS)。MOV 具有双向导通特性，成本更低且功率密度更高，但使用寿命通常较短，同时因其两电极间存在电容，电压调节性能也较差。

另一方面，TVS 既有单向型也有双向型，电容值更低，但对安装空间要求更高，且大电流型号的成本也更高。

结语

SSCB 在传统断路器的基础上实现了功能升级，但成本也随之增加。SSCB 不仅能提供电路保护， 还可保障人员安全、支持远程监控，并能远程进行配置。由于固态断路器的动作重复性远高于传统断路器，因此更适用于跳闸频率要求较高的场景。

安森美提供的 SiC JFET 与 SiC组合型 JFET，均具备极低的 RDS(ON)。尽管 SSCB 已开始逐步进入市场，但尚未实现大规模应用，主要是因为在高电压、大电流场景下，SSCB 在功耗方面问题仍存在一系列难题。而 SiC JFET 和组合型 JFET 等器件，将有力促进优势显著的固态保护方案的普及与应用。