19頁圖解手冊，講透固態(tài)斷路器的核心設計技巧

相較于機電斷路器 (ECB) ， 固態(tài)斷路器 (SSCB) 采用半導體技術， 電路中斷速度提升了三個數(shù)量級。 碳化硅 (SiC) SSCB 具有寬帶隙 (WBG) ， 能夠在更高的電壓下以更高的開關頻率工作，為現(xiàn)代電路保護設計帶來了更大的靈活性。安森美（onsemi）結合海量工程落地經(jīng)驗編制《固態(tài)斷路器圖解手冊》，完整覆蓋以下內(nèi)容：

• 介紹適用于低壓至中壓直流系統(tǒng)的固態(tài)斷路器 (SSCB) 方案，重點介紹快速電子式關斷、安全斷開以及雙向或單向阻斷。

• 描述了固態(tài)開關級，包括 Combo SiC JFET、帶低壓 Si MOSFET 共源共柵的獨立 SiC JFET 以及 SiC 或 Si MOSFET 實現(xiàn)方式。

• 涵蓋柵極驅動架構（隔離式和非隔離式）、柵極偏置生成、負關斷偏置概念以及高 dv/dt 抗擾度要求。

• 包括用于控制電子器件和柵極驅動器的輔助電源和偏置電源，例如初級側穩(wěn)壓反激式、光耦合器反饋反激式、基于反激式的柵極驅動 IPS 和推挽偏置電源。

• 描述了感測和保護模塊，包括電流檢測、電壓檢測、比較器、ADC、SOA 驅動的故障定時和失效安全保護行為。

• 涉及系統(tǒng)支持功能，包括電源管理（降壓、LDO、eFuse、負載開關）、MCU 外設、通信接口（CAN、以太網(wǎng)、藍牙）以及 EMC / ESD 保護。

• 包括可選的安全和接口子系統(tǒng)，例如接地故障檢測 (GFCI/RCD)、人機界面（顯示器和鍵盤）以及跳閘/執(zhí)行器驅動。

• 每個功能模塊均采用一致的結構介紹，提供方案優(yōu)勢、亮點和實用設計指南，以支持 SSCB 子系統(tǒng)設計。

• SiC JFET R_DS(on) 能夠在高電流下實現(xiàn)低導通損耗

• 通過 JFET 柵極控制 dv/dt

• 采用兼容硅基器件的控制方案，實現(xiàn)常關型操作

• 易于并聯(lián)擴展

• 與分立式 JFET + Si MOSFET 相比，集成式共源共柵器件可減小占位尺寸并降低柵極驅動的復雜性，同時保持常關狀態(tài)

• 獨立柵極訪問能夠實現(xiàn)可控的開關速度，并支持保護開關中的并聯(lián)操作

• JFET 柵極-源極電壓可用作校準的、器件特定的結溫指示器，用于自監(jiān)測

• 可良好適配 SSCB 架構，配備柵極驅動器 + 感測模塊（電流/溫度），實現(xiàn)智能保護

• 功率開關（電壓等級）：對于約 400V 的輸出，建議選擇 650V/750V；對于約 800–1000V 的輸出，建議選擇 1200V；對于最高 1500V 的直流輸出，建議選擇 1700V

• 功率開關模塊：利用 JFET 柵極電阻路徑來調(diào)節(jié)關斷 dv/dt/di/dt，并降低故障中斷期間的電壓過沖

• 故障時序：驗證端到端中斷時序，以便在短路 SOA 超限之前完成關斷

• 失效安全保護行為：確保在控制電源、柵極電源或隔離失效時（包括欠壓和 EMI 情況）進行默認關閉操作

• dv/dt 抗擾：利用開爾文源和本地柵極-源極箝位技術，設計具有高 dv/dt 抗擾度的感測、控制和柵極電路

• 柵極驅動模塊：確保具有明確的關斷偏置和穩(wěn)健的柵極回路（低電感），以避免在高 dv/dt 下出現(xiàn)誤導通；必要時考慮使用隔離式驅動器

• 能量吸收模塊：開關關斷速度需與箝位電壓 (MOV/TVS/RCD) 配合，使箝位電壓和器件應力保持在限制范圍內(nèi)

• 并聯(lián)安森美寬禁帶開關時，應匹配柵極網(wǎng)絡并減少源極雜散電感，以改善動態(tài)均流性能

• 選擇封裝和互連（低電感、熱效率高），以在高電流和高溫下保持低 R_DS(on) 的優(yōu)勢

• 常閉型共源共柵；MOSFET 負責控制，SiC JFET 負責阻斷

• 降低開關損耗，減少誤導通

• 堅固耐用，快速防護，耐高溫性能

• 通過低壓 MOSFET 控制實現(xiàn)成本可擴展性。

• 共源共柵結構是使用常開型 SiC JFET 器件的實用方法，可用于需要默認關斷行為的保護開關

• 串聯(lián)（超級共源共柵）JFET 堆疊提高了耐壓能力，但需要靜態(tài)/動態(tài)電壓平衡網(wǎng)絡

• 必須分析開關瞬態(tài)和電壓分配；無源 RC 平衡和柵極電阻是常用的工具

• 最適合優(yōu)先考慮極低的導通損耗和高電流且開關頻率較低的應用

• 功率開關（電壓等級）：對于約 400V 的輸出，建議選擇 650V/750V；對于約 800–1000V 的輸出，建議選擇 1200V；對于最高 1500V 的直流輸出，建議選擇 1700V

• 驗證所選的低壓 MOSFET 是否適合作為共源共柵電路控制器件（R_DS(on)、雪崩電流和熱裕量），因為這會影響效率和可靠性

• 器件匹配：選擇低壓 MOSFET 以確保在所有條件（故障、dv/dt、溫度、容差）下完全箝位 JFET V_GS，包括負瞬態(tài)

• 電壓分配：確保在關斷期間能夠在 JFET 和 MOSFET 之間實現(xiàn)可控的動態(tài)電壓分配；盡量減少寄生電感和時序偏差引起的不平衡

• SOA 驗證：使用實際柵極時序、布局寄生參數(shù)、箝位和溫度來驗證組合 JFET-MOSFET 堆疊的短路和故障 SOA

• 故障防護操作：設計柵極驅動電路，當控制或電源丟失時強制關斷 MOSFET（或箝位 JFET V_GS），從而實現(xiàn)開關的安全關斷狀態(tài)

• 熱協(xié)調(diào)：考慮 JFET 和 MOSFET 在故障事件和重復操作期間不同的熱極限和瞬態(tài)發(fā)熱