向宽禁带半导体的转型为固态断路器注入了强劲动力。凭借更高的击穿电压和开关频率、更低的导通损耗以及更高的工作温度，固态断路器在性能上树立了新的标杆，包括更快的分断速度、消除电弧、更简单的热管理系统以及额外的数字化功能。因此，宽禁带驱动的固态断路器在市场上变得越来越可行，开辟了更多的应用场景。除了保护传统的交流配电系统外，直流架构也正在吸引快速动作的智能固态断路器，与传统机电设备相比，它们能防止设备损坏并提高整体系统可靠性。

随着智能固态断路器在交流和直流网络中的广泛应用，全球固态保护市场正在增长。总部位于爱尔兰都柏林的市场咨询公司Research and Markets预计，全球固态断路器市场将从2026年的约50.6亿美元增长至2032年的81.7亿美元，复合年增长率(2026-2032年)为8.22%[1]。根据该报告，固态断路器的增长受到智能电网扩展、可再生能源整合以及电动汽车充电基础设施向直流架构发展的推动。

固态断路器在推进直流系统中的作用

随着直流网络的发展加速，对直流电源转换器的需求也在增长。然而，直流电源转换器需要更快的保护器件，因为传统的熔断器和机电断路器在发生故障(如过载或短路)时，其分断速度不足以遏制上升的直流电流。由于固态断路器能在几微秒内保护直流电源系统(而机电断路器需要几毫秒)，固态断路器已成为替代机电断路器的有吸引力的选择。此外，与交流系统不同，直流架构还提高了电力系统的效率，因为需要的功率转换级数更少，且宽禁带半导体的损耗显著更低。

在IEEE Power Electronics Magazine的文章《固态断路器在推进直流系统以实现可持续世界中的变革性作用》中，作者Satish Naik Banavath、Aditya Pogulaguntla、Giovanni De Carne、Martina Josevski和Rajendra Singh指出，当前和不久的将来采用直流架构的潜在市场包括商业/住宅建筑、舰载电力网络、飞机电力系统、电气化铁路、大型电动汽车充电站、数据和通信中心、微电网和工业中心，以及整合多种可再生能源的绿氢生产工厂。

虽然文章[2]讨论了直流电网对于可持续未来的必要性，但也关注了直流电网带来的短路安全问题。由于故障电流几乎瞬间(微秒级)激增，且缺乏自然的过零点，直流电力系统需要更快的电路保护解决方案。如果不能立即分断，可能会产生电弧，迅速摧毁敏感的电力电子器件和其他组件，并损坏设备。因此，根据Research and Markets的报告，在快速故障检测和数字控制的重要性超过传统断路器成本优势的应用中，固态断路器变得越来越重要。

IEEE Power Electronics Magazine的文章[2]指出，随着可再生能源的持续扩张，对固态断路器的需求也将增长。尽管向直流电网的过渡将逐步进行，但在过渡到完全直流系统之前，交直流混合配电系统将继续发展，以服务全球社会。

碳化硅JFET和双向氮化镓将固态断路器带入新时代

与此同时，新兴应用对固态断路器的要求远不止于保护功能。因此，在过去几年中，固态断路器已演变为更智能的版本，具有更快的分断速度、更低的损耗、双向能力、改进的通信、精确控制和数字管理。为实现这一目标，碳化硅结型场效应晶体管应运而生，为固态断路器提供了更快的故障分断能力、超低导通损耗和更好的热管理能力。

使用碳化硅JFET增强固态断路器的关键供应商包括安森美和英飞凌科技。例如，安森美通过收购Qorvo的碳化硅JFET业务(UnitedSIC，其中包括碳化硅共源共栅JFET)，正在迅速扩大其EliteSiC JFET产品组合。安森美将其称为Combo JFET，因为它将碳化硅JFET和低压硅mosfet集成在单个封装中，并且碳化硅JFET和低压MOSFET的栅极均可访问(图1)。

据安森美称，SiC Combo JFET的架构允许使用标准硅栅极驱动器，这简化了从硅基设计向碳化硅JFET的过渡。Combo JFET的其他显著特性包括更低的比导通电阻、显著更低的输出电容、零栅氧化层退化以及出色的热稳定性。

图1

通过完全消除标准碳化硅MOSFET中固有的栅氧化层和沟道电阻，安森美显著改善了SiC Combo JFET的导通电阻。因此，安森美提供650V至1700V电压范围的这些器件，超低导通电阻低至5mΩ，同时芯片尺寸小于一半。这些超低导通电阻器件采用先进的低电感封装，如TOLL和D2PAK-7L，以最大限度地减少寄生效应并实现高频开关。

碳化硅JFET的另一家主要供应商是英飞凌科技。该公司已准备好一系列高压CoolSiC JFET产品，电压范围从750V到1200V，在750V时导通电阻低至1.5mΩ，在1200V时为2.3mΩ。CoolSiC JFET采用顶部冷却的Q-DPAK封装，针对高效率和强大的雪崩能力进行了优化。固态断路器制造领域的许多关键参与者都在使用英飞凌的碳化硅JFET以及一系列其他组件，包括栅极驱动器、传感器、通信IC和存储器。

最近，英飞凌宣布德国西门子公司正在其先进的保护系统SENTRON 3QD2中使用其62mm 1200V CoolSiC MOSFET模块。西门子表示，SENTRON将碳化硅功率模块与智能保护算法相结合，能够在微秒级内实现超快短路分断，比传统系统快多达1000倍。该产品面向直流电网，可显著增强电路保护和系统可用性。

位于瑞典西斯塔的Blixt Tech AB是另一家利用碳化硅FET和JFET优势的欧洲制造商。该公司最初依赖英飞凌的硅CoolMOS器件，但最近已转向CoolSiC FET和JFET。此外，它还是通过IEC认证的固态断路器。该公司声称Blixt Zero是首个获准用于商业用途的住宅用固态断路器。虽然最初推出的产品设计为16A、110-230V AC或320V DC固态断路器，但该技术不依赖于特定的半导体晶体管类型，因此在半导体开关方面具有面向未来的特性。此外，内置的专有固件持续监测电流，并在电流过高时在微秒内切断。

同时，对于寻求参考设计的工程师，英飞凌从系统角度开发了一款智能固态断路器参考设计，集成了硬件、软件、传感和超快速安全功能。英飞凌表示，本质上，现代固态断路器是智能设备，必须在单个器件封装中集成多种关键功能，如图2所示。

图2

该设计适用于CoolMOS和CoolSiC器件，额定电流为16A，适用于交流(110/230V)或直流(350V)电网供电。此外，交流或直流模式选择通过图形用户界面基于软件实现。根据英飞凌的用户指南[3]，该参考设计允许在应用相关保护、监控和诊断概念下，对功率MOSFET器件进行应用级评估。

在氮化镓方面，开发商用氮化镓基智能固态断路器的工作仍在进行中。与此同时，研究人员已经在实验室中使用商用双向氮化镓器件演示了可工作的固态断路器。一个很好的例子是瑞萨电子的子公司Transphorm。在由美国能源部高级研究计划局部分资助(资助编号DEAR0000890，属于CIRCUITS项目，由Isik Kizilyalli博士监管)的项目中，伊利诺伊理工学院的研究人员展示了一款基于氮化镓的双向固态断路器原型(图3)。650V双向氮化镓FET由Transphorm提供[3]。今年早些时候，瑞萨宣布商用650V双向氮化镓产品上市。

图3

从机械断路器向固态断路器的过渡

不到十年前，位于北卡罗来纳州亨特斯维尔的Atom Power公司就有一个愿景，即将机械断路器转变为固态版本，以实现更好的电气安全和机架保护。事实上，创始人确信，较旧的机械断路器不适合数据中心等任务关键型环境，在这些环境中，故障事件在微秒内发生。无晶圆厂设计公司Atom Power使用其专有的碳化硅功率模块，于2019年推出了UL认证的固态断路器。

从那以后，十多家电气硬件巨头和主要半导体制造商已进入该市场。其中，西门子、ABB、施耐德电气和伊顿在利用硅IGBT和宽禁带功率半导体的进步来满足工业和中等电压应用方面处于领先地位。在Atom Power之后不久，德国西门子也为住宅、商业和轻工业应用推出了UL认证的120V AC固态断路器。最近，该公司与英飞凌合作，在用于数据中心和工厂的先进固态断路器中采用了碳化硅功率模块(图4)。

图4

瑞士巨头ABB也推出了一款用于直流电网和系统的创新固态断路器，采用其专有的硅基逆阻集成门极换流晶闸管，该器件能够阻断2.5kV电压，导通高达2500A的额定电流，并能分断高达6.8A的故障电流。虽然导通损耗显著低于其他竞争解决方案，但ABB声称其固态断路器SACE Infinitus是全球首款通过IEC60947-2认证的断路器。SACE Infinitus专为可再生能源和高效节能的直流电网设计，其检测和清除短路故障的速度比传统断路器快100倍，并且使用寿命更长。

其他生产并开发基于碳化硅半导体的固态断路器的主要电气巨头包括施耐德电气、伊顿和三菱电机。随着电气化环境的增长和交流/直流电网的扩展，对数字固态断路器的需求也将同步增长，从而在未来几年内推动智能固态断路器的发展势头。