【導(dǎo)讀】在電路保護(hù)領(lǐng)域，斷路器承擔(dān)著防御過(guò)流與短路風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵角色。與傳統(tǒng)僅關(guān)注過(guò)流保護(hù)不同，碳化硅JFET（SiC JFET）技術(shù)的引入，為固態(tài)斷路器（SSCB）帶來(lái)了顯著的高溫耐受性與開(kāi)關(guān)性能提升，使其在高溫、高功率等苛刻工況中具備穩(wěn)定可靠的保護(hù)能力。
在電路保護(hù)領(lǐng)域，斷路器承擔(dān)著防御過(guò)流與短路風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵角色。與傳統(tǒng)僅關(guān)注過(guò)流保護(hù)不同，碳化硅JFET（SiC JFET）技術(shù)的引入，為固態(tài)斷路器（SSCB）帶來(lái)了顯著的高溫耐受性與開(kāi)關(guān)性能提升，使其在高溫、高功率等苛刻工況中具備穩(wěn)定可靠的保護(hù)能力。
機(jī)電式斷路器的設(shè)計(jì)可追溯至 20 世紀(jì) 20 年代，如今仍被廣泛應(yīng)用。與早期的熔斷器設(shè)計(jì)相比，斷路器具有顯著優(yōu)勢(shì) ——可重復(fù)使用，而早期的熔斷器使用一次后就必須更換。
如今，隨著寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，固態(tài)斷路器正占據(jù)更大的市場(chǎng)份額。與硅基半導(dǎo)體相比，寬禁帶半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)在正常運(yùn)行期間具有更低的通態(tài)損耗和更高的效率。
固態(tài)斷路器（又稱(chēng)電子斷路器）不含機(jī)械部件，因?yàn)槠溟_(kāi)關(guān)核心是半導(dǎo)體。它通過(guò)電子元件檢測(cè)故障狀態(tài)并切斷電路，以確保電氣系統(tǒng)的安全性和可靠性。
固態(tài)斷路器具有響應(yīng)速度更快、可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，還可連接至智能網(wǎng)絡(luò)，并支持遠(yuǎn)程監(jiān)控。其應(yīng)用場(chǎng)景十分廣泛，涵蓋住宅、商業(yè)及工業(yè)交流（AC）系統(tǒng)；同時(shí)也可用于高壓直流（HV DC）系統(tǒng)，例如作為電動(dòng)汽車(chē)中高壓電池的隔離開(kāi)關(guān)。
固態(tài)斷路器框圖
下圖展示了一種采用安森美推薦產(chǎn)品的固態(tài)斷路器解決方案框圖。其中最關(guān)鍵的組成部分是取代傳統(tǒng)電磁繼電器的開(kāi)關(guān)。柵極驅(qū)動(dòng)器用于控制開(kāi)關(guān)，接口模塊則實(shí)現(xiàn)器件間的通信。另一核心部分是檢測(cè)模塊，包含電流檢測(cè)與溫度檢測(cè)功能。為增強(qiáng)系統(tǒng)性能，可集成接地故障斷路器（GFCI）。
碳化硅JFET
結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）是一種單極晶體管，主要依賴(lài)多數(shù)載流子進(jìn)行導(dǎo)電。它與MOSFET類(lèi)似，都是基于電場(chǎng)效應(yīng)原理工作，屬于電壓控制型器件，無(wú)需偏置電流。
兩者的主要區(qū)別在于，JFET是一種耗盡型器件（即默認(rèn)導(dǎo)通狀態(tài)），需要施加反向偏置電壓才能關(guān)斷并保持關(guān)斷狀態(tài)。雖然某些半導(dǎo)體繼電器應(yīng)用可以從這種默認(rèn)導(dǎo)通狀態(tài)中受益，但大多數(shù)應(yīng)用需要的是默認(rèn)關(guān)斷狀態(tài)。通過(guò)增加一些外部元件，即使在未施加電源的情況下，也可以構(gòu)建出一個(gè)默認(rèn)關(guān)斷的開(kāi)關(guān)。
圖1展示了VGS=0且漏源電壓VDS近乎為零時(shí)SiC JFET的截面結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)代表JFET芯片中數(shù)千個(gè)并聯(lián)單元之一。安森美SiC JFET具有兩個(gè)PN結(jié)（二極管）：漏極-柵極和柵極-源極。在這種無(wú)偏置狀態(tài)下，漏極與源極之間存在高導(dǎo)電性溝道，使得電子可雙向自由流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了安森美SiC JFET特有的低導(dǎo)通電阻特性。
安森美可提供SiC JFET、SiC Cascode JFET和SiC Combo JFET三個(gè)系列的產(chǎn)品，每種類(lèi)型都有其獨(dú)特性能，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景。其中SiC JFET可使固態(tài)斷路器（SSCB）在高達(dá)175°C的機(jī)殼材料極限溫度下工作；而SiC材料本身能夠承受更高的溫度。
圖1：標(biāo)注電流路徑的縱向JFET結(jié)構(gòu)示意圖
SiC JFET
?常開(kāi)型SiC JFET
?具備最低的Rds
?RDS(VGS 2V) = 7 m?, RDS(VGS 0V) = 8 m?
?適用于斷路器及限流應(yīng)用
?導(dǎo)通狀態(tài)下JFET的柵源電壓（VGS）可直接反映器件結(jié)溫（TJ），是自監(jiān)測(cè)功率器件的理想解決方案
SiC Cascode JFET
?與硅基 MOSFET共封裝
?常關(guān)型
?支持標(biāo)準(zhǔn)柵極驅(qū)動(dòng)
?內(nèi)置JFET柵極電阻
?適用于高頻開(kāi)關(guān)應(yīng)用
SiC Combo JFET
?可獨(dú)立控制MOS管和JFET的柵極，實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)dV/dt的精確調(diào)控
?可直接驅(qū)動(dòng)JFET柵極，在VGS=+2V條件下RDS(ON)降低10%~15%
?簡(jiǎn)化多個(gè)JFET并聯(lián)使用
?采用與分立JFET + MOSFET相同的柵極驅(qū)動(dòng)方式
?顯著節(jié)省電路板空間
圖2：JFET（上圖）、Cascode JFET（左下圖）和Combo-JFET（右下圖）的符號(hào)示意圖
產(chǎn)品核心價(jià)值
安森美EliteSiC Combo JFET
SiC Combo JFET 型號(hào)： UG4SC075005L8S
將一個(gè) 750V 的 SiC JFET 和一個(gè)低壓Si MOSFET集成在單個(gè)TOLL封裝中。
?750 V, 120 A
?超低導(dǎo)通電阻 RDS(ON)： 25?°C 時(shí)為 5 mΩ， 175?°C 時(shí)為 12.2 mΩ
? 具備常關(guān)特性
?優(yōu)化多個(gè)器件并聯(lián)工作性能
?工作溫度最高可達(dá) 175?°C
?具有高脈沖電流能力
?極佳器件穩(wěn)健性
?短路耐受能力
?采用無(wú)引腳 TOLL 封裝（MO-229）
圖3：UG4SC075005L8S與競(jìng)品導(dǎo)通電阻對(duì)比（單位：m?）
Combo JFET評(píng)估板
該評(píng)估板展示了基于安森美Combo JFET 器件 UG4SC075005L8S 的固態(tài)斷路器設(shè)計(jì)。
SiC Combo JFET是由一個(gè)低壓Si MOSFET和一個(gè)高壓SiC常開(kāi)型JFET組成的復(fù)合器件。SiC JFET和Si MOSFET的柵極均可獨(dú)立接入。與標(biāo)準(zhǔn)共源共柵結(jié)構(gòu)相比，SiC Combo JFET具有以下優(yōu)勢(shì)：通過(guò)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)更低的導(dǎo)通電阻 RDS(ON)、可完全控制開(kāi)關(guān)速度，以及具備結(jié)溫檢測(cè)能力。
圖4：Combo JFET評(píng)估板正反面視圖
（作者：安森美）
推薦閱讀：
電聲核心元件：受話器技術(shù)深度剖析與市場(chǎng)格局
聚焦物聯(lián)網(wǎng)前沿，DigiKey 助力 Works With 開(kāi)發(fā)者盛會(huì)
投影光源技術(shù)革新：艾邁斯歐司朗推出首款單源集成激光器PLPM7_455QA
