【導(dǎo)讀】機(jī)電式斷路器（EMB）是電路保護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)器件，卻存在動(dòng)作速度慢、易產(chǎn)生電弧等缺陷。為解決以上問(wèn)題，采用半導(dǎo)體開關(guān)的固態(tài)斷路器（SSCB）應(yīng)運(yùn)而生，其以微秒級(jí)關(guān)斷速度、無(wú)電弧等優(yōu)勢(shì)備受關(guān)注。本文對(duì)比了 EMB 與 SSCB 的特性，再深入了解 SSCB 的優(yōu)勢(shì)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(hù)電路免受過(guò)電流、過(guò)載及短路損壞的器件。機(jī)電式斷路器 (EMB) 作為業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)器件，包含兩個(gè)獨(dú)立觸發(fā)裝置：一個(gè)是雙金屬片，響應(yīng)速度較慢，由過(guò)電流觸發(fā)跳閘；另一個(gè)則是電磁裝置，響應(yīng)速度較快，由短路觸發(fā)啟動(dòng)。EMB 擁有設(shè)定好的跳閘電流（通常為固定值），具備瞬時(shí)跳閘（電磁觸發(fā)）和延時(shí)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(duì)短路與過(guò)載情況。
盡管 EMB 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效果可靠，但依然存在一些缺點(diǎn)。其一便是速度問(wèn)題，EMB 的動(dòng)作時(shí)間處于毫秒級(jí)，在此期間故障電流仍可能造成設(shè)備損壞，甚至對(duì)人員造成傷害。其二則是電弧問(wèn)題，當(dāng)觸點(diǎn)分離時(shí)會(huì)產(chǎn)生電弧，必須安全消散電弧能量，而這一過(guò)程會(huì)給斷路器帶來(lái)熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力。
用半導(dǎo)體開關(guān)替代機(jī)械觸點(diǎn)可徹底消除電弧，因?yàn)殡娏髑袛嗍窃谖锢碛|點(diǎn)分離前通過(guò)電子方式完成的。半導(dǎo)體開關(guān)能在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)關(guān)斷，大幅降低短路峰值電流。此外，與機(jī)械部件不同，半導(dǎo)體開關(guān)專為高頻操作設(shè)計(jì)，且不會(huì)隨時(shí)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(hù)直流電路與交流電路。
了解固態(tài)斷路器
SSCB 的優(yōu)勢(shì)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(qiáng)（無(wú)磨損損耗），且具備更精準(zhǔn)的控制能力。在發(fā)生故障時(shí)，更快的斷開速度更具優(yōu)勢(shì)，而半導(dǎo)體開關(guān)的速度是機(jī)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(jī)電式繼電器。SSCB 的工作原理是：監(jiān)測(cè)電路的電流與溫度，然后將監(jiān)測(cè)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(cè)故障，并在微秒級(jí)時(shí)間內(nèi)觸發(fā)保護(hù)性關(guān)斷。發(fā)生跳閘時(shí)，MCU 會(huì)向柵極驅(qū)動(dòng)器發(fā)送指令，令開關(guān)“關(guān)斷”。所有這些過(guò)程加起來(lái)，耗時(shí)遠(yuǎn)少于 EMB。
圖1：固態(tài)斷路器框圖
為保障安全，可增設(shè)一個(gè)可選的機(jī)械繼電器，在半導(dǎo)體開關(guān)關(guān)斷后實(shí)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(dòng)作，工作過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生電弧，因此無(wú)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(jī)械斷路器不同，SSCB 同時(shí)連接相線與中性線，而繼電器能實(shí)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(jī)械開關(guān)的想法早已存在，但長(zhǎng)期以來(lái)，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(jìn)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(chǎng)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(yuǎn)高于機(jī)械觸點(diǎn)的導(dǎo)通電阻。
過(guò)去幾年間，碳化硅 (SiC) 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (JFET) 已成為推動(dòng) 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(jí)與更低損耗，又融合了 JFET 結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。在當(dāng)前市場(chǎng)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(jì)。
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(wú)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(chǎng)景與控制方案中通常是不利因素，因?yàn)楣收习l(fā)生時(shí)，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(shí)保留JFET 結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。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(chǎng)景。共源共柵型 JFET (CJFET) 具備靈活的柵極驅(qū)動(dòng)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(guò)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(gè)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(guò)對(duì) JFET 柵極施加過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓，這種結(jié)構(gòu)還能進(jìn)一步降低 RDS(ON)。盡管柵極電壓為 0 V 時(shí) JFET 已處于導(dǎo)通狀態(tài)，但施加正向柵極電壓可增強(qiáng)溝道導(dǎo)電性，進(jìn)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(jìn)一步推廣的最大限制因素。若要將 SSCB 用于住宅場(chǎng)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(jī)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(lái)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(fù)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(shí)，需采用背對(duì)背結(jié)構(gòu)。這項(xiàng)要求會(huì)使電路設(shè)計(jì)進(jìn)一步復(fù)雜化，因?yàn)樗鼤?huì)使溝道電阻實(shí)際增加一倍。因此，為降低總 RDS(ON)，通常會(huì)采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)。由此也進(jìn)一步凸顯了組合型 JFET 作為優(yōu)選開關(guān)的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榻M合型 JFET 不僅支持并聯(lián)運(yùn)行，而且能簡(jiǎn)化并聯(lián)操作。
當(dāng) SSCB 發(fā)生故障時(shí)，電流會(huì)開始上升并通過(guò)半導(dǎo)體流向負(fù)載，直至器件關(guān)斷。在關(guān)斷過(guò)程中，電壓會(huì)急劇升高，此時(shí)過(guò)電壓會(huì)觸發(fā)電壓鉗位電路，保護(hù) MOSFET 免受雪崩擊穿影響。故障電流會(huì)繼續(xù)通過(guò)鉗位電路流向負(fù)載，直至完全關(guān)斷。電路中（包括導(dǎo)線和感性負(fù)載）存儲(chǔ)的電感能量會(huì)在鉗位電路中釋放。檢測(cè)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(shí)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(duì)安裝空間要求更高，且大電流型號(hào)的成本也更高。
總結(jié)
SSCB 在響應(yīng)速度、可靠性等方面遠(yuǎn)超傳統(tǒng) EMB，憑借獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為電路保護(hù)的重要方向。盡管導(dǎo)通電阻、功耗等問(wèn)題仍制約其市場(chǎng)化，但碳化硅等技術(shù)的發(fā)展已帶來(lái)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(jìn)步，未來(lái)有望在交直流電路保護(hù)中廣泛應(yīng)用，為電路安全提供更高效的保障。
