【導(dǎo)讀】固態(tài)斷路器（SSCB）正成為高壓電路保護的主流選擇。然而，要實現(xiàn)其系統(tǒng)級優(yōu)勢，功率半導(dǎo)體的選擇至關(guān)重要——它直接決定了斷路器的導(dǎo)通損耗、散熱能力、封裝尺寸與長期可靠性。本文將聚焦安森美SiC JFET及Combo JFET，從運行溫度、封裝尺寸、智能感測與易用性四個維度，深度解析其為何成為固態(tài)斷路器設(shè)計的核心技術(shù)選擇。
斷路器制造商首要關(guān)注的是發(fā)熱問題。所有半導(dǎo)體在電流流過其中時都會產(chǎn)生熱量。這種熱量可以用導(dǎo)通電阻來衡量，其表示符號為RDS(on)。
當(dāng)然，制造商和工程師都希望RDS(on)盡可能小。同時，極低導(dǎo)通電阻這一特性也直接支撐著基于JFET的SSCB的另外三項優(yōu)勢：
尺寸極小
可靠性
易于使用
理由1：運行溫度極低
EMB與許多其他斷路器共用一個面板。鑒于眾多元件必須擠在斷路器的局促空間中，可用于散熱的空間極為有限。因此，EMB制造商最關(guān)心的自然是發(fā)熱問題。
先進半導(dǎo)體設(shè)計對于解決這一問題至關(guān)重要，因為降低電阻可以直接減少熱量的累積。安森美的JFET 和Combo JFET TOLL封裝可使小型元件實現(xiàn)盡可能低的導(dǎo)通電阻(RDS(on))。
在左側(cè)的比較圖中，安森美 EliteSiC 封裝的導(dǎo)通電阻不到相同TOLL封裝的最接近競爭產(chǎn)品的一半。此特性為固態(tài)斷路器制造商帶來了巨大的競爭優(yōu)勢。
極低的導(dǎo)通電阻
上圖所示為未施加電壓的安森美SiC JFET的橫截面。這里，三個端子分別被標(biāo)記為源極、柵極和漏極。有兩個二極管，每個二極管都有相應(yīng)的電容：柵極和漂移區(qū)PN結(jié)處的漏柵二極管，以及由JFET柵極偏置的柵源二極管。每個溝道和柵極區(qū)構(gòu)成一個單元，單個JFET中存在數(shù)千個并聯(lián)的單元。
注意漏極-柵極PN結(jié)周圍的耗盡區(qū)。由于缺乏移動載流子，該區(qū)域呈現(xiàn)高電阻特性。此時未施加電壓，該JFET處于未偏置狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，耗盡區(qū)足夠小，允許電子沿著開放溝道的直接路徑在源極和漏極端子之間自由流動。無PN結(jié)或二極管擋在電流路徑上，且沒有表面電流。因此，安森美SiC JFET被稱為常開型。
這里的電流路徑流經(jīng)高導(dǎo)電性的SiC材料。這使得JFET在給定電壓額定值下具有極低的導(dǎo)通電阻。
將正電壓VDS施加于漏極至源極時，漏柵PN結(jié)反向偏置，使耗盡區(qū)擴大。如果VDS繼續(xù)提高，溝道會變得更狹窄。最終耗盡區(qū)將填滿溝道，導(dǎo)致飽和。
接下來，如果將正電壓VGS施加到柵極驅(qū)動器，結(jié)果將是漏極-柵極和柵極-源極PN結(jié)正向偏置，導(dǎo)致耗盡區(qū)縮小。根據(jù)工作條件，施加正VGS是將導(dǎo)通電阻降低約15%的最簡單方法，無需添加特殊電路。當(dāng)首要目標(biāo)是盡量降低導(dǎo)通損耗時，這15%的減少是SiC JFET的一項重要優(yōu)勢。將柵源電壓拉至負(fù)值會關(guān)斷JFET。
安森美通過引入碳化硅材料，開發(fā)出一種專有晶圓減薄方法，從而使EliteSiC JFET尺寸更小、發(fā)熱更低。
在半導(dǎo)體晶圓制造過程中，晶圓在薄膜沉積期間往往會發(fā)生一定程度的翹曲。薄膜本身的內(nèi)應(yīng)力，加上薄膜和襯底之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)不一致，使得一定程度的翹曲幾乎難以避免。在減薄（背面研磨）過程中，翹曲現(xiàn)象往往會加劇。
安森美開發(fā)了一種模擬晶圓上導(dǎo)致翹曲的內(nèi)應(yīng)力的方法。這使得工程師能夠改進晶圓減薄工藝，以盡量降低翹曲的影響。
理由2：封裝尺寸極小
常通型JFET的應(yīng)用包括防雷保護、限制浪涌電流、取代EMB等。然而，大多數(shù)應(yīng)用都要求斷路器為常斷型。
實現(xiàn)這種斷路器的一種方法是將SiC JFET與低額定電壓的常關(guān)型Si MOSFET串聯(lián)連接，然后將JFET柵極連接至MOSFET源極。在右圖中，對于變壓器等開關(guān)模式應(yīng)用所采用的標(biāo)準(zhǔn)共源共柵配置，連接通過直接短路實現(xiàn)。如果JFET柵極直接與MOSFET源極相連，則開關(guān)速度至少比斷路器和繼電器所能承受的速度快50倍。試圖減慢如此高的開關(guān)速度是不切實際的。
另一種方法是引出SiC JFET的柵極，然后與Si MOSFET串聯(lián)連接。這樣一來，用戶就可以選擇JFET柵極和MOSFET源極之間的電阻或阻抗。可以選用一個簡單電阻或一個齊納二極管，使電流反向流動。
第二種方法可能是一種實用的解決方案，特別是因為JFET和MOSFET元件成本非常低，不過由于需要兩個元件，斷路器將會占用更多空間。還有一種更好的解決方案。
安森美的解決方案是堆疊芯片。EliteSiC Combo JFET將常開型SiC JFET與常關(guān)型Si MOSFET串聯(lián)連接。但是，JFET柵極和MOSFET柵極均被引出到封裝外部，而不是將柵極連接到封裝內(nèi)部的源極。這使得用戶能夠以適合應(yīng)用的任何方式連接封裝。
如上圖所示，藍(lán)色SiC JFET芯片通過銀焊與封裝的銅底座中心連接。黃色Si MOSFET芯片居中置于JFET芯片的上方。每個芯片的柵極均通過單獨的引腳分別引出。
減少空間消耗的另一種方法是盡量減少并聯(lián)使用的元件數(shù)量。
假設(shè)要制作一個240 V交流斷路器，其額定電流為20 A，能夠承受1.2倍過載2小時。應(yīng)用經(jīng)典焦耳加熱公式P = i2R來計算功率耗散，總熱量預(yù)算可表示如下：
同樣，關(guān)鍵因素是所需的RDS(on)。假設(shè)工作溫度保持在100°C，導(dǎo)通電阻自然會隨著溫度成比例增加。
將等式兩邊除以電流的平方，即可得出所需的導(dǎo)通電阻：
安森美的UG4SC075005L8S 750 VAC Combo JFET在150°C時提供7.8 mΩ的導(dǎo)通電阻，低于該元件有效阻斷交流電流所需的8.7 mΩ。
為了滿足導(dǎo)通電阻目標(biāo)并使導(dǎo)通損耗加倍，兩個Combo JFET需要背靠背或串聯(lián)連接，源極并聯(lián)連接。Combo JFET數(shù)量加倍會使斷路器中用于阻斷電流的內(nèi)部元件數(shù)量達到4個（Combo JFET算作兩個元件）。
如果選擇競爭對手提供的同類TOLL封裝元件，要滿足導(dǎo)通電阻要求，元件數(shù)量最低的方案也需要5個并聯(lián)JFET（其在100°C時的額定電阻為21 mΩ），總計10個元件。這一對比清晰地表明：采用安森美Combo JFET，僅需2顆器件即可完成同樣的電流處理任務(wù)，元件數(shù)量減少60%以上，這不僅節(jié)省了PCB空間，更大幅降低了故障點和并聯(lián)均流設(shè)計的復(fù)雜度。
片上溫度感測：JFET或Combo JFET
SiC JFET有一個常被忽視的優(yōu)點，即它能夠感知自身的溫度。當(dāng)柵極被驅(qū)動為略正（“過驅(qū)”）時，會注入一個非常小（1 - 5 mA范圍）、絕對安全的電流。這個小電流使得VGS為正，并以高度可預(yù)測的方式隨溫度變化。通過測量VGS的壓降，便可使用公式推導(dǎo)出JFET芯片的溫度。
上面的溫度感測驅(qū)動電路示意圖包含兩個差分放大器（diff-amp），每個放大器測量JFET至MOSFET源極電壓。SiC JFET和Si MOSFET均采用串聯(lián)復(fù)制，并以背靠背方式鏡像排列，用于阻斷交流電流。單個基準(zhǔn)電壓連接到共源點，差分放大器從該電壓中減去各自的VGS。當(dāng)電流接通時，電流從AC1流向AC2，使得每個MOSFET兩端出現(xiàn)壓降。
為了得出芯片溫度，需要測量從每個 JFET 的柵極到其共源點的電壓。兩個差分放大器的輸出表示為：
較為準(zhǔn)確的溫度讀數(shù)是取Tsense1和Tsense2的平均值，即將這兩個值相加再除以2。
成對使用的差分放大器常用于對噪聲進行等量反相放大，使正負(fù)噪聲疊加后相互抵消。這里，我們正是利用了這一技術(shù)，通過成對的差分放大器，使兩個壓降值|VDS,MOSFET|相互抵消。剩下的是一個簡化公式，其中溫度等于增益乘以基準(zhǔn)電壓與兩個JFET的平均柵源電壓之差：
僅需約1 mA的柵極電流就足以降低導(dǎo)通電阻。雖然用如此低的柵極電流來感測溫度確實可行，但5 - 10 mA范圍內(nèi)的電流更不容易受到噪聲的影響。
電流感測：JFET或Combo JFET
同樣精巧的技術(shù)也可應(yīng)用于JFET或Combo JFET來測量電流。該方法需要兩個相同的二極管D1和D2，它們與Combo JFET的漏極串聯(lián)連接，能夠阻斷高電壓。將柵極驅(qū)動器與DESAT（去飽和）引腳結(jié)合使用時，可通過這兩個二極管提供mA至μA范圍的小電流。或者，也可從柵極驅(qū)動電源通過一個電阻提供小電流。
無論哪種情況，都需要箝位二極管D1，并在其上使用一個放大器，以測量該二極管兩端的電壓降。此壓降代表JFET的VDS。知道芯片溫度便可輕松估算RDS(on)，進而可利用歐姆定律來估算漏極電流，而無需使用額外的傳感器：
補償溫度效應(yīng)
知道芯片溫度和漏極電流后，就能開發(fā)出對過流狀況立即做出響應(yīng)的溫度補償器。Combo JFET的導(dǎo)通電阻RDS(on)隨溫度升高而增加，表現(xiàn)出正溫度系數(shù)特性。在給定電流下，隨著溫度升高，VDS提高，VGS降低。
將這兩個值合并后輸入快速過流模擬比較器，便可使這兩個電壓相互抵消，從而消除溫度影響。
比較器將VDS與動作電壓進行比較，從而實現(xiàn)有效的溫度補償。受限于RDS(on)與Tsense,ave之間的非線性關(guān)系，補償效果略有減弱。然而，在典型工作溫度范圍內(nèi)，這種補償完全足夠，因此無需使用微控制器或狀態(tài)機以數(shù)字方式進行溫度補償調(diào)整。
可能需要額外的電路來應(yīng)對JFET關(guān)斷和重新導(dǎo)通方面的問題，包括處理消隱時間和復(fù)位比較器的輸入電壓。
理由3：可靠性
碳化硅JFET天然具備高脈沖電流能力。下圖展示了未箝位感性開關(guān)設(shè)置的開關(guān)導(dǎo)通事件，其中電源電壓由電纜電感供應(yīng)給Combo JFET中使用的相同4.3 mΩJFET。其峰值脈沖電流IDM額定值為588 A，該圖顯示其在600 A時切換，斜坡時間約為24 ms。電感中儲存的能量部分被JFET吸收，其余由并聯(lián)的金屬氧化物壓敏電阻箝位。漏源電壓VDS在被箝位之前上升至接近600 V。這證明SiC JFET具有高峰值電流能力。這是一個很大的優(yōu)勢，尤其是在斷路器應(yīng)用中，因為在這類應(yīng)用中，不可避免地需要切換非常高的峰值電流（遠(yuǎn)高于標(biāo)稱電流）。
電壓額定值與電壓裕度
考慮斷路器時，無論是固態(tài)斷路器還是機電式斷路器，電壓裕度都是最重要的考量因素之一。這與電壓額定值不同。住宅和輕型商業(yè)應(yīng)用的通用輸入電壓范圍為85至265 VAC，峰值電壓為該范圍的最大值乘以√2，即375 VAC。
電壓額定值為400 VAC的斷路器無法提供所需的電壓裕度。原因是從供電端到用電設(shè)備接線點的電纜中，以及從用電設(shè)備接線點到斷路器的電線中，都會儲存能量。
當(dāng)發(fā)生涉及非常高電流的故障情況時，通向斷路器的電纜和電線中儲存的能量可能非常高。如果電流斷路器在此類情況下關(guān)斷，那么所有這些能量必須轉(zhuǎn)移到某個地方。
使用SiC JFET時，需要將盡可能多的這種電流轉(zhuǎn)儲到該芯片中。但它本身只能處理有限的能量，肯定無法處理電纜和電線中儲存的所有能量。為了處理額外的能量，需要添加并聯(lián)金屬氧化物壓敏電阻(MOV)或瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)。
右圖是常見壓敏電阻的典型電壓-電流特性曲線。在標(biāo)稱直流電網(wǎng)電壓VDC下，壓敏電阻的正常工作區(qū)是左下角的紅色區(qū)域。綠色區(qū)域表示漏電流區(qū)，以V1mA和1 mA的壓敏電流為界。
壓敏電阻在灰色區(qū)域所表示的瞬態(tài)工作區(qū)開始履行其保護電路的職能。峰值電流Ipk與箝位電壓VCL相交的位置，是紫色區(qū)域所表示的浪涌電流區(qū)的起點。這個相交點至關(guān)重要，因為此時的過電壓不能太高，以免損壞斷路器。
根據(jù)安森美的經(jīng)驗，MOV的特性曲線比該圖所示更加圓潤，意味著它通常需要更多時間才能激活。當(dāng)峰值電流較高時，MOV兩端也會出現(xiàn)相應(yīng)的高電壓。SSCB中使用的JFET必須具有足夠高的電壓額定值，以確保當(dāng)電壓處于正常工作范圍時，MOV的漏電流不會過大。
所有集成電路都具有設(shè)計規(guī)定的工作電壓和電流范圍。正常工作范圍以上有安全過壓區(qū)，電路在此區(qū)域內(nèi)不會受到損壞。當(dāng)電壓高于安全過壓范圍時，電路可能仍能短暫地承受更高的電壓。TVS是一種雪崩二極管，用于箝位過電壓和消散高瞬態(tài)電涌。TVS要發(fā)揮作用，必須在受保護電路的安全過壓區(qū)內(nèi)工作，防止電壓進入器件損壞區(qū)（右圖的紅色區(qū)域）。同時，一旦電壓恢復(fù)到正常工作范圍（藍(lán)色區(qū)域），它也不能影響系統(tǒng)性能。
與反向突波保護器件不同，TVS在達到導(dǎo)通電壓之前具有高電阻，而超過導(dǎo)通電壓之后電阻會急劇下降。對于電壓箝位器件，導(dǎo)通電壓必須高于系統(tǒng)的正常工作電壓，同時又足夠低，以確保箝位電壓遠(yuǎn)低于損壞電壓范圍。導(dǎo)通電阻也必須極低，以確保在各種威脅情況下保持較低箝位電壓。
欲了解更多信息，請參閱安森美白皮書AND9009/D《電氣過載保護類型》
此外，宇宙輻射也是一個不容小覷的因素。當(dāng)施加于JFET的電壓接近其擊穿電壓時，其電場強度會急劇上升。隨著場強的升高，器件失效的概率取決于其在設(shè)計上如何處理阻斷電壓。當(dāng)施加的電壓超過擊穿電壓時，由完全不可預(yù)測的宇宙射線事件引起的單粒子燒毀(SEB)的概率呈指數(shù)級上升。
出于這些原因，安森美設(shè)計的JFET和Combo JFET元件具有750 V電壓額定值。這不僅提高了其可靠性，而且使其更容易在采用低成本箝位器件（如TVS或MOV）的斷路器設(shè)計中使用。在過載條件下，尤其是在電壓過沖情況下（即在電源轉(zhuǎn)換事件期間，輸出電壓超過預(yù)期的穩(wěn)態(tài)電壓設(shè)置值），這種高電壓額定值可提供更高的安全裕度。
理由4：易于使用
如上的電路圖所示，只需使用低成本的現(xiàn)成元件，便可輕松驅(qū)動SSCB中使用的Combo JFET封裝中的JFET和MOSFET。該電路顯示兩個Combo JFET背靠背連接，其源極連接在一起，并有一個共源點。以這種方式連接時，這兩個元件可以阻斷交流電流。
通過這種設(shè)計，可以使用一個IGBT直接驅(qū)動兩個Combo JFET的柵極，提供電壓和電流去飽和保護。當(dāng)該電路接通時，過驅(qū)電阻R_ODV便開始發(fā)揮作用，限制流入每個JFET柵極的電流。開關(guān)導(dǎo)通速度可能很慢，不過這對于斷路器來說可能是一個優(yōu)點。接下來，JFET 基于其溫度來設(shè)置自己的VGS。
設(shè)置關(guān)斷狀態(tài)是通過調(diào)整JFET柵極電阻實現(xiàn)的。這種方式可提供出色的速度控制，因為所有輸出電容電荷都經(jīng)過該電阻。
MOSFET可以由如圖所示的電壓監(jiān)控器驅(qū)動，或者由單獨的柵極驅(qū)動器驅(qū)動。一旦柵極驅(qū)動功率逐漸上升，MOSFET就會導(dǎo)通并保持導(dǎo)通狀態(tài)。由于保持導(dǎo)通狀態(tài)，MOSFET不會受到壓力，發(fā)生雪崩的可能性也不會增加。此后，開關(guān)操作由JFET的導(dǎo)通和關(guān)斷來控制，開關(guān)速度則通過調(diào)整柵極電阻來控制。所有開關(guān)能量都進入SiC JFET，這正是我們所希望的。
通過這種設(shè)計，電路可以在緊急情況下接通和關(guān)斷，就像在正常運行情況下接通和關(guān)斷一樣。還可以通過脈沖控制電路，以限制電容充電時的浪涌電流。
