固態斷路器(SSCB)相比于傳統的電機械斷路器具有多種優勢?；趯拵?WBG)器件如碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)的SSCB可以在許多應用中擴大其競爭優勢。

SSCB的優勢

傳統的電機械斷路器依靠電磁作用進行短路檢測和中斷，同時利用雙金屬作用實現過載電流保護。電磁效應依賴于線圈和接點，涉及多個運動部件。故障限制響應時間通常在幾毫秒左右，具體取決于額定值和使用的技術。而SSCB的響應時間通常在微秒級別或更低，這得益于半導體功率器件的快速關斷響應以及低電壓的感測與控制信號。

SSCB所允許的“通過”能量，即在過載發生后保護裝置關斷前送到負載的能量，遠低于傳統斷路器。由于響應時間更快，維護人員遭遇電弧閃光的風險也大大降低。電機械保險絲容易在接點之間發生電弧。雖然可以通過間隙、磁場偏置或壓縮空氣等方案來限制這種情況，但這些附加裝置會增加保險絲的體積和重量，使其在電動車等對這些因素有嚴格要求的應用中不夠實用。由于缺少運動部件和物理接點，SSCB的可靠性通常比電機械保險絲更好，這些接點可能因重復的過載或短路而磨損失效。

SSCB允許對許多保護特性的關鍵方面進行全面控制。例如，可以配置的時間-電流特性(TCC)可以更有效地區分瞬態事件，如固體短路或長時間的過載條件，從而避免不必要的中斷。

全電動船舶和更電氣化的飛機(MEA)是旨在減少對化石燃料依賴的交通趨勢的例子。在這些以及許多其他應用中，直流電力分配提供了許多優勢，如提高效率和降低成本。由于高電流上升率和故障電流，緩慢的電機械保險絲在這些應用中處于顯著劣勢。此外，直流電網缺乏零穿越條件，需要熄滅電弧以將故障電流降至零。SSCB可以成為用于遠程控制和監測電氣分配特性的系統的一部分，而機械斷路器由于響應時間慢，難以實現這一點。

SSCB的關鍵要求

SSCB的一些關鍵要求包括：

低且穩定的導通狀態電阻(RDS(on))：正常導通狀態下的高導電損耗可能顯著影響效率和冷卻要求。SSCB的RDS(on)通常高于電機械斷路器。降低這一指標的方法包括并聯多個器件、限制過電壓以便使用更高效的低電壓額定器件，以及利用在這一重要標準上具有內在優勢的WBG器件。器件的并聯容易性在這里變得至關重要。基于硅的可控硅器件具有強負溫度系數，這可能使電流共享變得具有挑戰性。

低關斷狀態漏電流：這在過電壓和高溫期間尤其重要。這是電機械斷路器具有優勢的另一個參數。限制過電壓和選擇合適的器件可以作為解決方案。

沖擊電流能力：故障電流可能高出額定導電電流一個數量級。功率器件需要在一個合理的時間內承受這一沖擊，以便過電壓器件和控制電路將器件關斷。需要一個寬的I2t范圍來滿足應用要求。

優良的熱性能：在沖擊過程中，結溫的升高必須低于器件的最高規格范圍，這可以設定器件在特定時間的最大沖擊電流額定值。許多應用受到空間限制，并且外部冷卻選項有限。低熱阻和寬的最大工作溫度增加了SSCB的安全工作區域(SOA)。如雙面冷卻等封裝創新可能非常重要，而SiC在高溫性能方面的內在優勢也可能是其選擇的一個重要因素。

成本：基于硅的SSCB，如IGBT和IGCT，能夠提供具有成本效益的解決方案，并且在高電流應用中占主導地位。WBG器件的功率密度和性能優勢使其在某些應用中能夠有效地與硅競爭，尤其是在預計未來幾年SiC和GaN的芯片成本下降的情況下。

SiC FET的沖擊電流性能

Qorvo制造級聯的SiC FET復合器件。一個正常導通的高電壓SiC JFET與一個低電壓硅MOSFET級聯，硅MOSFET提供柵極控制。通過這種方法，特定導通電阻(RDS(on) × A，晶片面積)得到了顯著改善，1200V額定器件的RDS(on)低至0.135 Ω-mm2。通過訪問JFET柵極，改進了這些器件的開關上升率控制。

這些器件的沖擊電流行為通過圖1所示的測試設置進行評估。級聯的JFET DUT由六個1200V、8mΩ的器件并聯堆疊在SOT-227模塊封裝中。JFET柵極的可接近性允許降低關斷速度，限制漏極電壓(VDS)的過沖。該堆疊的名義連續漏極電流(ID)在100°C的外殼溫度(TC)和150°C的結溫(Tj)下為410A。在Tj = 25°C時測得的RDS(on)為1.95 mΩ，在Tj = 150°C時為3.88 mΩ。

如圖1所示，金屬氧化物壓敏電阻(MOV)和RC緩沖器的組合提供電壓鉗位，減少dV/dt振蕩，并吸收電路中寄生電感存儲的能量。負載為銅線。通過在DUT關閉狀態下，最初以特定的漏極電壓(例如200V)對母線電容器進行充電，從而產生沖擊。DUT然后在特定時間內開啟，在此期間電容器通過負載和DUT放電，產生沖擊電流。

選擇15Ω的JFET柵極電阻以限制VDS過沖。整體關斷速度由MOV和RC緩沖器限制，而不是由SiC器件的關斷限制。選擇MOV的鉗位電壓是基于權衡：高鉗位電壓可以更快地降低電流，但會對功率器件造成更大壓力，而較低的鉗位電壓需要更長時間，從而在MOV中產生更多能量耗散。這里使用的V25S320P MOV的鉗位電壓額定值為825V。

圖2顯示了500μs時間持續的測量沖擊波形。器件能夠承受2800A的沖擊(幾乎是名義ID的7倍)，但在3200A的沖擊下失效。在較高電流下懷疑發生了熱失控。對于240μs脈沖時間的測試顯示，器件能夠通過3450A的峰值沖擊，3200A的沖擊下失效。

創建了一個測試裝置，以測量SOT-227模塊中器件的熱阻和瞬態熱阻抗。使用這些數據和DUT的導通狀態特性，構建了一個四階段RC熱模型。該模型與測得的熱阻抗具有良好的吻合?；谠撃Ｐ偷腜Spice模擬可用于預測DUT在特定沖擊事件下的結溫，從而定義器件在最大Tj為150°C時的SOA。在此，使用了最壞情況下的條件，RDS(on)和熱阻比典型值高出30%。這些TCC曲線如圖3所示。

為了驗證器件能否在Tj為150°C時關斷預測的最大2360A沖擊，進行了沖擊測試，器件從該溫度開始。成功關斷了在約65μs脈沖持續時間內達到的3000A峰值沖擊。