英飞凌固态断路器参考设计：助力高效电路保护与控制

一、引言

在当今的电子系统中，电路保护至关重要。固态断路器（SSCB）凭借其无机械触点、快速精确的短路保护等优势，成为了电路保护领域的热门选择。英飞凌推出的REF_SSCB_AC_DC_1PH_16A和REF_SSCB_AC_DC_1PH_SiC SSCB参考设计，为工程师们提供了一个优秀的解决方案。本文将深入介绍这两款参考设计的特点、使用方法以及性能测试结果。

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二、SSCB设备概述

2.1 基本原理与优势

固态断路器（SSCB）与传统断路器不同，它没有用于大电流切换/换向的机械触点。这种无运动部件的设计使得SSCB具有无电弧切换的特性，减少了磨损，提高了可靠性。同时，固态开关能够提供快速、精确且可靠的短路保护。随着数字化和半导体技术的发展，SSCB还可以与智能电网技术集成，实现先进的监测、控制和安全通信功能。

2.2 参考设计特点

英飞凌的这两款参考设计适用于16A额定电流，支持AC（110/230V）或DC（350V）电网供电，通过软件在GUI中即可进行AC或DC模式的选择。REF_SSCB_AC_DC_1PH_16A采用CoolMOS™ S7T超级结功率MOSFET，而REF_SSCB_AC_DC_1PH_SiC则采用CoolSiC™功率MOSFET。这两款设计均采用双板架构，包括功率板和逻辑板。功率板包含功率级、气隙装置和反激式电源，逻辑板则具备低功耗功能，如为XMC MCU供电、模拟信号处理、隔离背板总线和外部用户总线基础设施。

2.3 主要特性

• 电气特性
  • 双向电流阻断：采用背对背（B2B）MOSFET作为通道开关，配合TVS二极管钳位电感能量，实现双向电流阻断。
  • 被动散热：通过在MOSFET顶部焊接铜散热片，实现被动散热。
  • 保护与监测：具备基于分流电阻的通道电流测量和过流检测（OCD）、隔离通道输入和输出电压测量、MOSFET结温或靠近源极引脚温度测量、过载（OVL）、过温（OVT）、欠压（UVP）和过压保护（OVP）等功能。
• 可编程性与监测
  • GUI控制：通过SSCB Demo GUI实现AC或DC操作选择、正负OCD跳闸阈值设置、过温关机和恢复阈值设置、UVP和OVP阈值设置、跳闸图表参数设置等。
  • 数据监测与导出：可监测和导出模拟测量值，如Vin、Vo、I、f、P、功率因数、OCD阈值参考、Tj或Tntc等。
  • TFT显示：通过TFT显示屏实时监测V、I、P、f、Tj或Tntc、SSCB状态和诊断信息。
• 数据记录与自供电
  • F - RAM数据记录：使用F - RAM进行数据记录。
  • 自供电：通过反激式电源从电网获取电力，无需外部电源。

2.4 设计差异

两款参考设计在功率MOSFET技术、参数和过温检测方法上存在差异。具体如下表所示：	参数	REF_SSCB_AC_DC_1PH_16A	REF_SSCB_AC_DC_1PH_SiC
设计变体名称	S7T变体	SiC变体
功率MOSFET技术	CoolMOST S7T超级结	CoolSiCTM
功率MOSFET	IPDQ60T010S7:QDPAK TSC封装	IMDQ75R008MD1H:QDPAK TSC封装
MOSFET漏源击穿电压	600V	750V
MOSFET漏源导通电阻Ros(on)	0.010Ω at Vcs = 12V, b = 50.0A, T = 25	0.0106Ω at Vos = 18V, Io = 90.3A, T = 25°C
过温检测方法	功率MOSFET嵌入式温度传感器单独Tj感应	两个功率MOSFET板载NTC进行源极引脚温度（Tntc）测量

2.5 关键参数

这两款参考设计的关键参数如下：	参数	最小值	典型值	最大值	单位
绝对最大通道电源范围	90（AC） 120（DC）		260（AC） 375（DC）	V
工作通道电源范围	100（AC） 330（DC）		240（AC） 370（DC）	V
额定电流（Ta = 25°C）		16		A
静态过驱动因子（Ta = 25°C）			1.13
I²t限制值			100k	A²s
100ms的RMS过电流（Ta = 25°C）			80	A
频率模式	DC/50/60 Hz
正/负OCD跳闸电流限制（di/dt: 10 - 15A/µs）			145	A
最大di/dt（OCD）	100 A/µs
最大MOSFET关断电流	见IPDQ60R010S7/IMDQ75R008MD1H数据手册
污染程度	11
过压类别	11
最大海拔	2000m
环境工作温度（Ta）		25	40	°C

2.6 硬件概述

硬件方面，功率板和逻辑板通过跳线选择可兼容不同的功率MOSFET。逻辑板上的连接器用于连接各种外部设备，如电网输入、负载输出、内部背板总线、外部用户接口总线、调试接口、TFT显示屏和键盘等。在拆卸塑料外壳时，需小心解锁前面板，避免损坏键盘和显示屏的连接电缆。

三、SSCB Demo GUI

3.1 主窗口功能

SSCB Demo GUI是与演示板进行通信的重要工具，提供了丰富的监测和可编程选项。主窗口包含连接/断开、通道开关、数据读取、图形显示、采集模式选择、错误复位、数据读取回显等功能按钮，同时还显示通道输入和输出电压、电流、输入功率、MOSFET结温等信息，以及各种状态和错误指示灯。

3.2 配置/诊断窗口

配置/诊断窗口可用于保存和读取SSCB的配置参数，如OCD阈值、UVP/OVP阈值、温度保护阈值、ADC校准比例因子和跳闸图表参数等。还可以进行AC/DC模式选择、Vin保护设置、过温保护设置、模拟测量和应用内V&I校准等操作。

3.3 跳闸图表窗口

跳闸图表窗口用于设置SSCB的跳闸图表参数，包括额定电流、RMS过电流因子、静态过驱动因子、跳闸积分等。通过该窗口可以直观地了解SSCB的跳闸边界和热限制。

3.4 实时图形窗口

实时图形窗口以~200Hz或2Hz的更新速率显示所有模拟测量值的实时图形。可以选择显示模拟信号和状态标志，支持数据导出和连续记录功能。

四、SSCB前面板

SSCB前面板配备了TFT显示屏和键盘，显示屏有五个页面可供选择，分别显示功率、输入电压、通道电流、频率、MOSFET温度、逻辑板NTC温度、MOSFET和继电器状态、错误标志以及硬件和软件版本信息。每个页面底部显示SSCB状态。

五、使用入门

5.1 基本设置

启动SSCB演示器的基本设置包括安装USB2CAN分析仪的USB驱动程序、开启SSCB通道电源和24V适配器电源、打开SSCB Demo GUI应用程序并选择COM端口进行连接。连接成功后，即可开始使用演示器。

5.2 开发灵活性

在开发阶段，可以使用外部19V DC（+/-1V）电源在逻辑板或功率板上进行测试，同时在GUI中禁用UVP/OVP保护。需要注意的是，安全继电器仅适用于16A RMS电流，若需要超过该电流能力，需绕过继电器触点。

六、CAN通信

6.1 通信接口

SSCB演示器通过CAN接口与PC GUI进行通信，采用隔离CAN接口，CAN版本为V2.0B active，标识符为标准11位，RX和TX标识符地址均为0x321，数据长度为8字节，波特率为500kbps。

6.2 CAN命令列表

CAN通信使用一系列命令进行数据传输，包括开关控制、数据读取、配置设置、固件更新等。具体命令和数据格式在文档中有详细说明。

七、SSCB Demo性能测试

7.1 ZVS和ZCS

在AC模式下，通道在零电压时开启，在零电流时关闭，实现了零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS），减少了开关损耗。

7.2 过流检测（OCD）性能

对正负极性的通道DC电流进行过流检测测试，观察到CoolMOS™的总关断传播延迟约为880ns，CoolSiC™约为420ns。通过改变DC电源幅度，测试了不同di/dt下的OCD性能。

7.3 热性能

SSCB采用被动散热方式，通过在MOSFET顶部焊接铜散热片进行散热。在室温下，对不同DC电流进行热测量，观察到CoolMOS™ S7T的过温保护设置为Tj = 150°C，SiC变体在散热片温度超过140°C时关闭通道。由于MOSFET和NTC之间的热电容和NTC响应时间的影响，在高脉冲电流水平下，Tntc或TNT的测量值不如热电偶准确。

八、总结

英飞凌的REF_SSCB_AC_DC_1PH_16A和REF_SSCB_AC_DC_1PH_SiC SSCB参考设计为工程师们提供了一个功能强大、性能可靠的固态断路器解决方案。通过丰富的保护和监测功能、可编程的GUI界面以及良好的热性能，这两款参考设计适用于各种需要高效电路保护和控制的应用场景。在使用过程中，工程师们需要注意安全事项，合理设置参数，以充分发挥其优势。你在实际应用中是否遇到过类似的固态断路器设计问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。