安森美SiC JFET 赋能，固态断路器实现 175℃高温下的可靠运行

断路器作为一种关键的电气保护装置，其主要功能是保护电路免受过流、过载以及短路等损害。需要注意的是，它并不用于保护人员免受电击，防范电击的装置通常是剩余电流装置（RCD） 或接地故障断路器（GFCI ），这类装置能够检测泄漏电流并及时切断电路。机电式断路器的设计可以追溯到 20 世纪 20 年代，直至如今仍在广泛使用。相较于早期的熔断器设计，断路器具有显著的优势，即可以重复使用，而早期的熔断器在使用一次后就必须进行更换。

随着科技的不断进步，宽禁带半导体技术逐渐发展起来，使得固态断路器在市场中占据了越来越大的份额。与传统的硅基半导体相比，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，也被称为电子断路器，其核心特点是不含机械部件，开关核心采用半导体。它通过电子元件来检测故障状态，并迅速切断电路，从而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快、可动态调节的特点，还能够连接至智能网络，支持远程监控。其应用场景十分广泛，不仅涵盖住宅、商业及工业交流（AC）系统，还可用于高压直流（HV DC）系统，例如在电动汽车中作为高压电池的隔离开关。

下面这张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的动作，接口模块则实现了器件间的通信。检测模块是另一个核心部分，它包含电流检测与温度检测功能。为了进一步增强系统性能，还可以集成接地故障断路器（GFCI）。

结型场效应晶体管 （JFET）属于单极晶体管，主要依靠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，不需要偏置电流。两者的主要区别在于，JFET 是一种耗尽型器件，即默认处于导通状态，需要施加反向偏置电压才能将其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，也能够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，该结构代表了 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），分别是漏极 - 栅极和栅极 - 源极。在无偏置状态下，漏极与源极之间存在高导电性沟道，使得电子可以双向自由流动，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，每种类型都具有独特的性能，适用于不同的应用场景。其中，SiC JFET 能够使固态断路器（SSCB）在高达 175°C 的机壳材料极限温度下工作，而且碳化硅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

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。在导通状态下，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，为常关型，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。在 VGS=+2V 条件下，RDS (ON) 可降低 10% - 15%，还能简化多个 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

安森美 EliteSiC Combo JFET 的型号为 UG4SC075005L8S，它将一个 750V 的 SiC JFET 和一个低压 Si MOSFET 集成在单个 TOLL 封装中。该产品具有 750 V、120 A 的规格，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，优化了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、极佳的器件稳健性和短路耐受能力，采用无引脚 TOLL 封装（MO - 229）。

Combo JFET 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等优势。

综上所述，安森美 SiC JFET 在固态断路器领域展现出了卓越的性能和巨大的应用潜力，为电气系统的安全可靠运行提供了有力的支持。