在电动汽车充电站、人工智能数据中心服务器，以及日益普及的分布式能源和直流电网系统中，需要大功率配电。这些应用要求保护设备具备快速响应、高可靠性和固态特性。

本文探讨了碳化硅 (SIC) 单极结型场效应晶体管 (JFET) 在断路器应用中的优势。

固态断路器 (SCCB) 的优势

机电式断路器依赖于电磁原理，包含多个运动部件。因此，它们动作相对较慢，根据电压和电流额定值，动作时间可能长达数百毫秒。在过载发生之后、设备关断之前，会有显著的 "允通能量" 输送到负载，给负载带来可靠性风险。

此外，还可能出现电弧闪光危害，危及维护人员安全。这类断路器在触点间容易产生电弧，并且会遭受机械磨损。随着为降低传输损耗和减小电缆尺寸而越发重视高压直流 (HVDC) 配电，机电式断路器处于劣势，因为直流电流没有过零点。如果没有灭弧措施，就会产生持续的电弧。

固态断路器具有快得多的响应时间(微秒量级)，其响应速度通常受限于故障检测电路而非功率器件，从而能最大限度减少对负载的潜在损害。其最小的电压过冲能降低所在配电网络的畸变。此外，它们还提供智能断路功能，可根据特定应用进行动态调整和定制，具备自诊断能力，并支持远程监控。

由于没有运动部件，固态断路器的开关动作循环寿命更长。快速的响应时间意味着可以降低其触发的灵敏度水平，因为能够更好地容忍 "误跳闸"，且能非常迅速地恢复供电。还可实施复位和重试供电机制，以区分真正的故障(例如重复性电弧)与一次性电弧。实际上，一次性电弧在电机驱动等许多应用中非常常见。固态断路器在直流配电系统中也非常高效，并且能够根据应用需求扩展到不同的电压等级。

固态断路器中的 SiC JFET

结型场效应晶体管本质上是一种体传导器件，依靠非隔离栅极来关断导电沟道。通常，一个 n 型半导体连接源极和漏极，而在靠近源极处、围绕导电 n 型半导体区域掺杂形成的 p 型区则构成栅极。该器件通常是耗尽型，即在栅极施加 0V 电压时处于导通状态，需要加负的栅源电压 (VGS) 才能关断。SiC 垂直 JFET (VJFET) 的成熟早于 mosfet，因为它没有需要高质量栅氧这一额外难题。

目前，SiC MOSFET 广泛应用于功率变换开关应用，在效率、功率密度和热特性方面相较于硅 (Si) MOSFET 和 IGBT 具有显著优势。另一方面，JFET 器件具有有利的特性，使其在诸如固态断路器这类主要静态的配电保护应用中更具优越性。

在近期举办的英飞凌科技 WBG 论坛上，SiC 创新与产业化资深专家 Peter Friedrichs 介绍了 SiC JFET 的部分优势以及英飞凌 CoolSiC JFET 系列产品的开发进展。图 1 比较了 MOSFET 和 JFET 的一些关键特性与优势。

图1

英飞凌的产品组合现已包括额定电压 750V 和 1200V 的 CoolSiC JFET，其典型导通电阻分别低至 1.5 mΩ 和 2.3 mΩ。在如固态断路器这样的静态常通应用中，低比导通电阻 (RDSON-sp) 带来降低导通损耗的关键优势，使得固态断路器在这方面尽可能接近机电式断路器。

体传导和耗尽型特性使得 JFET 的比导通电阻比目前可用的 MOSFET 低约 2 倍。而硅 IGBT 的正向膝点电压使其仅在大电流(> 几百安培)条件下对固态断路器具有吸引力，因为在此条件下双极电导调制效应能赋予其性能优势。

器件承受高过载和短路电流的能力是固态断路器应用的关键要求。在这方面，SiC JFET 凭借其出色的雪崩耐受能力，展现了卓越的鲁棒性。

JFET 中自然的钳位行为增强了其大电流工作能力。这种行为源于栅-漏 p-n 结的击穿，这反过来会降低 VGS 电压，从而关断导电沟道。在过流情况下，当电流上升时，负载或电力线路中的电感会产生过电压，器件必须在固态断路器的整个使用寿命内具备承受这种过电压的能力。

CoolSiC JFET 通过控制雪崩过程，使能量均匀耗散在整个芯片上，从而确保了其稳健的雪崩行为。用于固态断路器的 MOSFET 通常需要复杂的钳位电路来处理能量和过电压。相比之下，JFET 凭借其内置的钳位解决方案，实现了更简化的方案。以当前在 AI 数据中心配电中成为趋势的 800 VDC 应用为例，在此应用中，1200V CoolSiC JFET 为过流/过压条件下的钳位动作提供了足够的击穿电压 (VBDSS) 裕量。

用于固态断路器的功率器件的另一个关键要求是在其工作和寿命周期内具有良好的热行为。英飞凌的 JFET 产品采用顶部冷却 (TSC) 的 Q-DPAK 封装。在分立式 .XT SiC MOSFET 中开发的、重要的结到壳热阻 (Rthj-c) 改进以及温度循环性能提升，都延续到了 JFET 上。

这包括用于衬底连接的扩散焊接技术。顶部冷却允许采用独特的方法来调整器件的热阻抗 (Zth)，即直接在 Q-DPAK 封装上大的裸露顶部焊盘上堆叠散热片和冷却器。这可以扩展热容 (CTH)。如图 2 所示，通过减小 CTH，时间常数 (τ = RTH * CTH) 可以从毫秒级调整到数百秒级。

图2

由于 SiC JFET 在 RDSON-SP 方面的优势而能够采用相对较小的芯片(低芯片 CTH)，这使得上述热管理能力变得非常重要。正如 Friedrichs 在接受《Power Electronics News》独家采访时解释的那样，热管理的另一个方面是：由于散热得到改善，有时堆叠两个芯片以实现更低的 RDSON 可能比使用单个更大的芯片更有效。

常通型 JFET 可以通过不同方式进行栅极控制。将低压 MOSFET 与 JFET 进行共源共栅 (Cascode) 连接，可以使用标准的硅基栅极驱动器来控制这个 MOSFET，进而调节 JFET 的 VGS。这种方法的一个缺点是 JFET 的过驱动能力有限。而直接驱动方法则使用一个栅极驱动器芯片，来提供完全开通/关断 JFET 所需的 +2V / -18V 电压。英飞凌的 JFET 以分立器件形式封装，为设计人员灵活选择驱动方法提供了便利。

随着为提高功率传输效率而引入 HVDC 电网配电，预计未来固态断路器将需要处理更高的电压。一个有趣的概念是 "超级共源共栅" (Supercascode) 方法，该概念在 20 多年前首次得到验证。由于 JFET 的栅极是通过对 p-n 结施加偏压来控制的，因此可以将多个器件串联起来，其中底部的 JFET 与低压 MOSFET 构成共源共栅结构。

超级共源共栅结构的关断过程始于底部 JFET 在关断时其漏极电压升高。由于该漏极连接到上方 JFET 的源极，上方 JFET 的绝对 VGS 值随之降低并变为负值，从而使其关断。此过程在串联的器件中依次向上重复，最终关断整个堆栈。二极管是堆叠运行必不可少的元件，而电阻则用作每个 JFET 两端的均压器件。

图3

在 APEC 2026 会议上，英飞凌的一个团队展示了一个 8.4 kV、17.8 mΩ 的超级共源共栅 [2]，该器件使用了六个 1200 V、2.5 mΩ 的 CoolSiC JFET 和一个低压共源共栅 MOSFET，如图 3 所示。整个堆栈的开关延迟小于 150 纳秒，电压不匹配度远小于 10%。

在本系列文章的第二部分中，我们将讨论 CoolSiC JFET 在 AI 服务器热插拔应用中的使用。