【导读】电机式断路器（EMB）是电路掩护的尺度器件，却存于动作速率慢、易孕育发生电弧等缺陷。为解决以上问题，采用半导体开关的固态断路器（SSCB）应运而生，其以微秒级关断速率、无电弧等上风备受存眷。本文对于比了 EMB 与 SSCB 的特征，再深切相识 SSCB 的上风与其事情道理，接着切磋半导体开关分类和技能瓶颈，为相识 SSCB 提供周全视角。

断路器是一种用在掩护电路免受过电流、过载和短路毁坏的器件。电机式断路器 (EMB) 作为业界公认的尺度器件，包罗两个自力触发装配：一个是双金属片，相应速率较慢，由过电流触发跳闸；另外一个则是电磁装配，相应速率较快，由短路触发启动。EMB 拥有设定好的跳闸电流（凡是为固定值），具有瞬时跳闸（电磁触发）及延时跳闸（热触发/双金属片触发）两种特征，可稳当靠得住地应答短路与过载环境。

只管 EMB 布局简朴、效果靠得住，但依然存于一些错误谬误。其一即是速率问题，EMB 的动作时间处在毫秒级，于此时期妨碍电流仍可能造成装备毁坏，甚至对于职员造成危险。其二则是电弧问题，当触点分散时会孕育发生电弧，必需安全消失电弧能量，而这一历程会给断路器带来热应力与机械应力。

用半导体开关替换机械触点可完全消弭电弧，由于电流堵截是于物理触点分散前经由过程电子方式完成的。半导体开关能于微秒级时间内关断，年夜幅降低短路峰值电流。此外，与机械部件差别，半导体开关专为高频操作设计，且不会随时间推移而老化。这种采用半导体开关的器件被称为固态断路器 (SSCB)，凡是用在掩护直流电路与交流电路。

相识固态断路器

SSCB 的上风显而易见：半导体开关的切换速率更快、靠得住性更高，耐用性更强（无磨损损耗），且具有更精准的节制能力。于发生妨碍时，更快的断开速率更具上风，而半导体开关的速率是机械开关的一千倍以上。此外，因为自己就需配备节制电子元件，这种断路器还有可集成其他新功效，例如电流与电压监控、电流限值调解，以和残存电流装配等其他安全附加功效。

SSCB 的焦点是半导体开关，它代替了传统的电机式继电器。SSCB 的事情道理是：监测电路的电流与温度，然后将监测数据传输至微节制器单位 (MCU)；MCU 连续监控电流与温度，以检测妨碍，并于微秒级时间内触发掩护性关断。发生跳闸时，MCU 会向栅极驱动器发送指令，令开关“关断”。所有这些历程加起来，耗时远少在 EMB。

图1：固态断路器框图

为保障安全，可增设一个可选的机械继电器，于半导体开关关断后实现物理断绝。此举能消弭电弧，且继电器仅需处置惩罚微弱的泄电流。因为继电器于半导体开关以后动作，事情历程中不会孕育发生电弧，是以无需具有耐受短路电流的额定能力。继电器可堵截半导体器件孕育发生的泄电流，凡是为数百微安 (µA)。此外，与机械断路器差别，SSCB 同时毗连相线与中性线，而继电器能实现装备的彻底断电。

半导体开关分类

用半导体开关替换机械开关的设法早已经存于，但持久以来，半导体技能的成长程度一直是制约这一构思落地的要害因素。如今，跟着宽带隙技能的不停前进，合用在低压室第与贸易电网的固态器件已经最先慢慢涌现。

拦阻 SSCB 年夜范围市场化运用的因素之一是导通电阻。只管现代半导体开关（特别是 MOSFET）的导通电阻已经处在较低值，但仍远高在机械触点的导通电阻。

已往几年间，碳化硅 (SiC) 结型场效应晶体管 (JFET) 已经成为鞭策 SSCB 成长的主流技能。这类器件既充实使用了碳化硅质料的特征，如高导热性、更高电压等级与更低损耗，又交融了 JFET 布局的上风。于当前市场中，JFET 的单元面积导通电阻 (RDS(ON)) 最低，并且与 MOSFET 同样采用电压节制方式。缘故原由是这类器件采用告终型栅极布局（与 MOSFET 的氧化层栅极差别），能提供直接的漏源极电畅通路，电荷俘获效应极小，外貌泄电流也可纰漏不计。

图 2：JFET 布局

但低导通电阻的不足的地方于在，JFET 具备常开特征，借使倘使栅极悬空或者无栅极电压，器件将处在彻底导通状况。这类特征于年夜大都运用场景与节制方案中凡是是倒霉因素，由于妨碍发生时，器件的抱负状况应为关断状况。

将JFET 与常开型Si MOSFET 串联，可制成常关型器件。此中，Si MOSFET 起到SiC JFET 使能开关的作用，同时保留JFET 布局的上风。这类布局被称为共源共栅布局，用途广泛，可合用在多种运用场景。共源共栅型 JFET (CJFET) 具有矫捷的栅极驱动能力与低开关损耗，但仅能节制低压 Si MOSFET 的栅极，并且开关速率过快，不合用在 SSCB。

另外一种可用的布局是组合型JFET，一样于单个封装内集成为了低压MOSFET 与JFET。差别的地方于在，组合型JFET 答应别离节制MOSFET 与JFET 的栅极，从而能更矫捷地调控开关的电压变化率(dV/dt)。经由过程对于 JFET 栅极施加过驱动电压，这类布局还有能进一步降低 RDS(ON)。只管栅极电压为 0 V 时 JFET 已经处在导通状况，但施加正向栅极电压可加强沟道导电性，进而降低 RDS(ON)。详细可参考图 3。

图 3：组合型 JFET 输出特征

如前所述，功耗仍是拦阻 SSCB 进一步推广的最年夜限定因素。若要将 SSCB 用在室第场景，就必需与当前利用的装备连结向后兼容，而现有装备中留给散热的空间十分有限。机械断路器的电畅通路电阻极低，是以损耗也很是小。SSCB 的功耗来历不仅包括 FET 的导通电阻，还有包括节制电子元件的功耗；这种功耗年夜致连结恒定，且不受负载影响。

因为 JFET 仅能阻断从源极到漏极标的目的的电压，是以当用在交流阻断时，需采用违对于违布局。这项要求会使电路设计进一步繁杂化，由于它会使沟道电阻现实增长一倍。是以，为降低总 RDS(ON)，凡是会采用并联络构。由此也进一步凸显了组合型 JFET 作为优选开关的上风，由于组合型 JFET 不仅撑持并联运行，并且能简化并联操作。

当 SSCB 发生妨碍时，电流会最先上升并经由过程半导体流向负载，直至器件关断。于关断历程中，电压会急剧升高，此时过电压会触发电压钳位电路，掩护 MOSFET 免受雪崩击穿影响。妨碍电流会继承经由过程钳位电路流向负载，直至彻底关断。电路中（包括导线及感性负载）存储的电感能量会于钳位电路中开释。检测速率越快，电流上升幅度越小，所需开释的能量就越少，响应地，钳位电路的体积也可做患上更小。

于电压钳位运用中，最经常使用的两种器件是金属氧化物压敏电阻 (MOV) 及瞬态电压制制二极管 (TVS)。MOV 具备双向导通特征，成本更低且功率密度更高，但利用寿命凡是较短，同时因其两电极间存于电容，电压调治机能也较差。

另外一方面，TVS 既有单向型也有双向型，电容值更低，但对于安装空间要求更高，且年夜电流型号的成本也更高。

总结

SSCB 于相应速率、靠得住性等方面远超传统 EMB，依附怪异上风成为电路掩护的主要标的目的。只管导通电阻、功耗等问题仍制约其市场化，但碳化硅等技能的成长已经带来冲破。跟着半导体技能迭代，SSCB 于优化布局、降低损耗上连续前进，将来有望于交直流电路掩护中广泛运用，为电路安全提供更高效的保障。