【導(dǎo)讀】機電式斷路器（EMB）是電路保護的標準器件，卻存在動作速度慢、易產(chǎn)生電弧等缺陷。為解決以上問題，采用半導(dǎo)體開關(guān)的固態(tài)斷路器（SSCB）應(yīng)運而生，其以微秒級關(guān)斷速度、無電弧等優(yōu)勢備受關(guān)注。本文對比了 EMB 與 SSCB 的特性，再深入了解 SSCB 的優(yōu)勢與其工作原理，接著探討半導(dǎo)體開關(guān)分類及技術(shù)瓶頸，為了解 SSCB 提供全面視角。
斷路器是一種用于保護電路免受過電流、過載及短路損壞的器件。機電式斷路器 (EMB) 作為業(yè)界公認的標準器件，包含兩個獨立觸發(fā)裝置：一個是雙金屬片，響應(yīng)速度較慢，由過電流觸發(fā)跳閘；另一個則是電磁裝置，響應(yīng)速度較快，由短路觸發(fā)啟動。EMB 擁有設(shè)定好的跳閘電流（通常為固定值），具備瞬時跳閘（電磁觸發(fā)）和延時跳閘（熱觸發(fā)/雙金屬片觸發(fā)）兩種特性，可穩(wěn)妥可靠地應(yīng)對短路與過載情況。
盡管 EMB 結(jié)構(gòu)簡單、效果可靠，但依然存在一些缺點。其一便是速度問題，EMB 的動作時間處于毫秒級，在此期間故障電流仍可能造成設(shè)備損壞，甚至對人員造成傷害。其二則是電弧問題，當(dāng)觸點分離時會產(chǎn)生電弧，必須安全消散電弧能量，而這一過程會給斷路器帶來熱應(yīng)力與機械應(yīng)力。
用半導(dǎo)體開關(guān)替代機械觸點可徹底消除電弧，因為電流切斷是在物理觸點分離前通過電子方式完成的。半導(dǎo)體開關(guān)能在微秒級時間內(nèi)關(guān)斷，大幅降低短路峰值電流。此外，與機械部件不同，半導(dǎo)體開關(guān)專為高頻操作設(shè)計，且不會隨時間推移而老化。這類采用半導(dǎo)體開關(guān)的器件被稱為固態(tài)斷路器 (SSCB)，通常用于保護直流電路與交流電路。
了解固態(tài)斷路器
SSCB 的優(yōu)勢顯而易見：半導(dǎo)體開關(guān)的切換速度更快、可靠性更高，耐用性更強（無磨損損耗），且具備更精準的控制能力。在發(fā)生故障時，更快的斷開速度更具優(yōu)勢，而半導(dǎo)體開關(guān)的速度是機械開關(guān)的一千倍以上。此外，由于本身就需配備控制電子元件，這類斷路器還可集成其他新功能，例如電流與電壓監(jiān)控、電流限值調(diào)整，以及殘余電流裝置等其他安全附加功能。
SSCB 的核心是半導(dǎo)體開關(guān)，它取代了傳統(tǒng)的機電式繼電器。SSCB 的工作原理是：監(jiān)測電路的電流與溫度，然后將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至微控制器單元 (MCU)；MCU 持續(xù)監(jiān)控電流與溫度，以檢測故障，并在微秒級時間內(nèi)觸發(fā)保護性關(guān)斷。發(fā)生跳閘時，MCU 會向柵極驅(qū)動器發(fā)送指令，令開關(guān)“關(guān)斷”。所有這些過程加起來，耗時遠少于 EMB。
圖1：固態(tài)斷路器框圖
為保障安全，可增設(shè)一個可選的機械繼電器，在半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)斷后實現(xiàn)物理隔離。此舉能消除電弧，且繼電器僅需處理微弱的漏電流。由于繼電器在半導(dǎo)體開關(guān)之后動作，工作過程中不會產(chǎn)生電弧，因此無需具備耐受短路電流的額定能力。繼電器可切斷半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的漏電流，通常為數(shù)百微安 (μA)。此外，與機械斷路器不同，SSCB 同時連接相線與中性線，而繼電器能實現(xiàn)設(shè)備的完全斷電。
半導(dǎo)體開關(guān)分類
用半導(dǎo)體開關(guān)替代機械開關(guān)的想法早已存在，但長期以來，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展水平一直是制約這一構(gòu)想落地的關(guān)鍵因素。如今，隨著寬帶隙技術(shù)的不斷進步，適用于低壓住宅與商業(yè)電網(wǎng)的固態(tài)器件已開始逐步涌現(xiàn)。
阻礙 SSCB 大規(guī)模市場化應(yīng)用的因素之一是導(dǎo)通電阻。盡管現(xiàn)代半導(dǎo)體開關(guān)（尤其是 MOSFET）的導(dǎo)通電阻已處于較低值，但仍遠高于機械觸點的導(dǎo)通電阻。
過去幾年間，碳化硅 (SiC) 結(jié)型場效應(yīng)晶體管 (JFET) 已成為推動 SSCB 發(fā)展的主流技術(shù)。這種器件既充分利用了碳化硅材料的特性，如高導(dǎo)熱性、更高電壓等級與更低損耗，又融合了 JFET 結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。在當(dāng)前市場中，JFET 的單位面積導(dǎo)通電阻 (RDS(ON)) 最低，而且與 MOSFET 一樣采用電壓控制方式。原因是這種器件采用了結(jié)型柵極結(jié)構(gòu)（與 MOSFET 的氧化層?xùn)艠O不同），能提供直接的漏源極電流通路，電荷俘獲效應(yīng)極小，表面漏電流也可忽略不計。
圖 2：JFET 結(jié)構(gòu)
但低導(dǎo)通電阻的不足之處在于，JFET 具有常開特性，倘若柵極懸空或無柵極電壓，器件將處于完全導(dǎo)通狀態(tài)。這種特性在大多數(shù)應(yīng)用場景與控制方案中通常是不利因素，因為故障發(fā)生時，器件的理想狀態(tài)應(yīng)為關(guān)斷狀態(tài)。
將JFET 與常開型Si MOSFET 串聯(lián)，可制成常關(guān)型器件。其中，Si MOSFET 起到SiC JFET 使能開關(guān)的作用，同時保留JFET 結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。這種結(jié)構(gòu)被稱為共源共柵結(jié)構(gòu)，用途廣泛，可適用于多種應(yīng)用場景。共源共柵型 JFET (CJFET) 具備靈活的柵極驅(qū)動能力與低開關(guān)損耗，但僅能控制低壓 Si MOSFET 的柵極，而且開關(guān)速度過快，不適用于 SSCB。
另一種可用的結(jié)構(gòu)是組合型JFET，同樣在單個封裝內(nèi)集成了低壓MOSFET 與JFET。不同之處在于，組合型JFET 允許分別控制MOSFET 與JFET 的柵極，從而能更靈活地調(diào)控開關(guān)的電壓變化率(dV/dt)。通過對 JFET 柵極施加過驅(qū)動電壓，這種結(jié)構(gòu)還能進一步降低 RDS(ON)。盡管柵極電壓為 0 V 時 JFET 已處于導(dǎo)通狀態(tài)，但施加正向柵極電壓可增強溝道導(dǎo)電性，進而降低 RDS(ON)。具體可參考圖 3。
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圖 3：組合型 JFET 輸出特性
如前所述，功耗仍是阻礙 SSCB 進一步推廣的最大限制因素。若要將 SSCB 用于住宅場景，就必須與當(dāng)前使用的設(shè)備保持向后兼容，而現(xiàn)有設(shè)備中留給散熱的空間十分有限。機械斷路器的電流通路電阻極低，因此損耗也非常小。SSCB 的功耗來源不僅包括 FET 的導(dǎo)通電阻，還包括控制電子元件的功耗；這類功耗大致保持恒定，且不受負載影響。
由于 JFET 僅能阻斷從源極到漏極方向的電壓，因此當(dāng)用于交流阻斷時，需采用背對背結(jié)構(gòu)。這項要求會使電路設(shè)計進一步復(fù)雜化，因為它會使溝道電阻實際增加一倍。因此，為降低總 RDS(ON)，通常會采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。由此也進一步凸顯了組合型 JFET 作為優(yōu)選開關(guān)的優(yōu)勢，因為組合型 JFET 不僅支持并聯(lián)運行，而且能簡化并聯(lián)操作。
當(dāng) SSCB 發(fā)生故障時，電流會開始上升并通過半導(dǎo)體流向負載，直至器件關(guān)斷。在關(guān)斷過程中，電壓會急劇升高，此時過電壓會觸發(fā)電壓鉗位電路，保護 MOSFET 免受雪崩擊穿影響。故障電流會繼續(xù)通過鉗位電路流向負載，直至完全關(guān)斷。電路中（包括導(dǎo)線和感性負載）存儲的電感能量會在鉗位電路中釋放。檢測速度越快，電流上升幅度越小，所需釋放的能量就越少，相應(yīng)地，鉗位電路的體積也可做得更小。
在電壓鉗位應(yīng)用中，最常用的兩種器件是金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 和瞬態(tài)電壓抑制二極管 (TVS)。MOV 具有雙向?qū)ㄌ匦裕杀靖颓夜β拭芏雀撸褂脡勖ǔ］^短，同時因其兩電極間存在電容，電壓調(diào)節(jié)性能也較差。
另一方面，TVS 既有單向型也有雙向型，電容值更低，但對安裝空間要求更高，且大電流型號的成本也更高。
總結(jié)
SSCB 在響應(yīng)速度、可靠性等方面遠超傳統(tǒng) EMB，憑借獨特優(yōu)勢成為電路保護的重要方向。盡管導(dǎo)通電阻、功耗等問題仍制約其市場化，但碳化硅等技術(shù)的發(fā)展已帶來突破。隨著半導(dǎo)體技術(shù)迭代，SSCB 在優(yōu)化結(jié)構(gòu)、降低損耗上持續(xù)進步，未來有望在交直流電路保護中廣泛應(yīng)用，為電路安全提供更高效的保障。
