作者：安森美

斷路器是一種用于保護電路免受過流、過載及短路損害的裝置。它不用于保護人員免受電擊，而用于防范此類電擊的裝置被稱為剩余電流裝置（RCD） 或接地故障斷路器（GFCI） 。該裝置可檢測泄漏電流并切斷電路。 機電式斷路器的設計可追溯至 20 世紀 20 年代，如今仍被廣泛應用。與早期的熔斷器設計相比，斷路器具有顯著優勢 ——可重復使用，而早期的熔斷器使用一次后就必須更換。 如今，隨著寬禁帶半導體技術的發展，固態斷路器正占據更大的市場份額。與硅基半導體相比，寬禁帶半導體開關在正常運行期間具有更低的通態損耗和更高的效率。 固態斷路器（又稱電子斷路器）不含機械部件，因為其開關核心是半導體。它通過電子元件檢測故障狀態并切斷電路，以確保電氣系統的安全性和可靠性。 固態斷路器具有響應速度更快、可動態調節的特點，還可連接至智能網絡，并支持遠程監控。其應用場景十分廣泛，涵蓋住宅、商業及工業交流（AC）系統；同時也可用于高壓直流（HV DC）系統，例如作為電動汽車中高壓電池的隔離開關。 

固態斷路器框圖

下圖展示了一種采用安森美推薦產品的固態斷路器解決方案框圖。其中最關鍵的組成部分是取代傳統電磁繼電器的開關。柵極驅動器用于控制開關，接口模塊則實現器件間的通信。另一核心部分是檢測模塊，包含電流檢測與溫度檢測功能。為增強系統性能，可集成接地故障斷路器（GFCI）。

碳化硅JFET

結型場效應晶體管（JFET）是一種單極晶體管，主要依賴多數載流子進行導電。它與MOSFET類似，都是基于電場效應原理工作，屬于電壓控制型器件，無需偏置電流。

兩者的主要區別在于，JFET是一種耗盡型器件（即默認導通狀態），需要施加反向偏置電壓才能關斷并保持關斷狀態。雖然某些半導體繼電器應用可以從這種默認導通狀態中受益，但大多數應用需要的是默認關斷狀態。通過增加一些外部元件，即使在未施加電源的情況下，也可以構建出一個默認關斷的開關。

圖1展示了VGS=0且漏源電壓VDS近乎為零時SiC JFET的截面結構。該結構代表JFET芯片中數千個并聯單元之一。安森美SiC JFET具有兩個PN結（二極管）：漏極-柵極和柵極-源極。在這種無偏置狀態下，漏極與源極之間存在高導電性溝道，使得電子可雙向自由流動，從而實現了安森美SiC JFET特有的低導通電阻特性。

安森美可提供SiC JFET、SiC Cascode JFET和SiC Combo JFET三個系列的產品，每種類型都有其獨特性能，適用于不同的應用場景。其中SiC JFET可使固態斷路器（SSCB）在高達175°C的機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：標注電流路徑的縱向JFET結構示意圖

SiC JFET

常開型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用

導通狀態下JFET的柵源電壓（VGS）可直接反映器件結溫（TJ），是自監測功率器件的理想解決方案

SiC Cascode JFET

與硅基 MOSFET共封裝

常關型

支持標準柵極驅動

內置JFET柵極電阻

適用于高頻開關應用

SiC Combo JFET

可獨立控制MOS管和JFET的柵極，實現對開關dV/dt的精確調控

可直接驅動JFET柵極，在VGS=+2V條件下RDS(ON)降低10%~15%

簡化多個JFET并聯使用

采用與分立JFET + MOSFET相同的柵極驅動方式

顯著節省電路板空間

圖2：JFET（上圖）、Cascode JFET（左下圖）和Combo-JFET（右下圖）的符號示意圖

產品核心價值

安森美EliteSiC Combo JFET

SiC Combo JFET 型號： UG4SC075005L8S

將一個 750V 的 SiC JFET 和一個低壓Si MOSFET集成在單個TOLL封裝中。

750 V, 120 A

超低導通電阻 RDS(ON)： 25?°C 時為 5 mΩ， 175?°C 時為 12.2 mΩ 

具備常關特性

優化多個器件并聯工作性能

工作溫度最高可達 175?°C

具有高脈沖電流能力

極佳器件穩健性

短路耐受能力

采用無引腳 TOLL 封裝（MO-229）

圖3：UG4SC075005L8S與競品導通電阻對比（單位：m?）

Combo JFET評估板

該評估板展示了基于安森美Combo JFET 器件 UG4SC075005L8S 的固態斷路器設計。

SiC Combo JFET是由一個低壓Si MOSFET和一個高壓SiC常開型JFET組成的復合器件。SiC JFET和Si MOSFET的柵極均可獨立接入。與標準共源共柵結構相比，SiC Combo JFET具有以下優勢：通過驅動實現更低的導通電阻 RDS(ON)、可完全控制開關速度，以及具備結溫檢測能力。

圖4：Combo JFET評估板正反面視圖