基于SiC Combo JFET的固态断路器设计与性能验证

在高可靠性电源系统中，传统机械断路器因响应慢、寿命短、易产生电弧等问题，正逐步被固态断路器（SSCB）取代。其中，SiC Combo JFET凭借其常通特性、高耐压能力及优异的线性工作区性能，成为实现快速过流保护与浪涌电流限制的理想器件。本文基于安森美UG4SC075005L8S 750V SiC Combo JFET搭建评估板（EVB），从结温感测、电流测量、过流保护及开关速度控制四个维度，系统验证其在SSCB中的工程可行性。、

结温感测：利用VGS实现高精度温度监测

SiC JFET的栅源电压（VGS）具有良好的温度线性度。在EVB中，通过测量两个背靠背JFET的VGS并取平均值，可消除MOSFET导通压降带来的偏移。实验表明，在-25A至+25A电流范围内，校准后的VGS与结温（TJ）呈高度线性关系，斜率为2.54 mV/°C（公式：y = 0.0077x + 0.6104）。该特性不仅可用于实时热监控，还可用于动态修正导通电阻RDS(on)——例如在80A、VGS=12V条件下，结合TJ可准确推算实际RDS(on)，提升系统建模精度。

电流感测：分流法 vs. VDS估算法

EVB支持两种电流检测方式：

分流电阻法：在共源点接入精密分流电阻，输出高度线性，适用于高精度计量；

VDS估算法：基于RDS(on) = f(TJ)模型，通过测量VDS反推电流。虽存在轻微非线性，但在过流保护阈值附近（如660A）可通过校准确保动作精度。

对于断路器应用，后者更具优势——无需额外功率损耗元件，且与JFET本体集成度高。

过流保护：7.5μs快速关断验证

EVB将过流阈值设为660A，采用锁存式保护机制（需手动或软件复位）。在150V/100μF储能电容放电测试中，电流迅速爬升至650A，比较器在7.5μs内触发关断。不同栅极电阻（RG = 4.7Ω–300Ω）测试表明，关断波形一致性良好，证明SiC JFET具备高di/dt耐受能力与可靠短路保护性能。

浪涌电流限制：线性模式下的恒流控制

SiC JFET的核心优势在于其宽安全工作区（SOA）和稳定的线性模式（有源区）特性。在浪涌抑制电路中，JFET作为恒流源，配合源极电阻RS设定限流值。预充电完成后，低压MOSFET旁路RS以降低稳态损耗。进一步引入常关型MOSFET（Q3）可实现“常关”逻辑，满足断路器基本功能需求。

更高级方案采用运放反馈控制，将电流曲线从恒流扩展至恒功率等模式，并通过微小栅极注入电流优化RDS(on)（降低约15%）。但需注意：多管并联时，因VGS(th)离散性，必须为每对JFET配置独立运放，否则均流不均可能导致热失控。

开关速度控制：栅极电阻精准调节

SiC JFET的开关速度可通过外接栅极电阻（R7）直接调控。实验显示，增大R7可有效抑制di/dt与dv/dt，避免并联系统中的寄生振荡。得益于其无体二极管结构，关断时电荷主要由栅极驱动环路吸收，而非通过负载回路，因此即使在箝位感性负载下，也能实现低振铃、高可靠性关断。

总结

UG4SC075005L8S Combo JFET在固态断路器中展现出四大工程价值：

高精度温度与电流感知能力；

7.5μs级超快过流响应；

天然适配浪涌限制的线性工作区；

灵活可控的开关速度。

对于伺服驱动、服务器电源、工业UPS等需高可靠性保护的场景，该方案提供了一条兼顾性能、效率与安全性的技术路径。

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