数据中心固态断路器需求驱动，SiC JFET异军突起

电子发烧友网报道（文/梁浩斌）固态断路器SSCB，是用半导体功率器件来代替传统机械式断路器中的机械触点或熔丝，来实现电路的快速切断，同时还具备自主复位的能力。
 
与此前我们多次报道的eFuse其实非常类似，固态断路器逻辑上都是用半导体功率期间来代替机械结构。同时固态断路器作为面向高压场景的产品，可以解决传统机械断路器的电弧、切断速度慢、寿命短等问题。
 
而随着数据中心供电系统迈向800V DC，固态断路器微秒级的切断速度、切断不产生电弧、“零维护”、可编程的特性，使其成为了高压直流配电的理想选择。
 
针对固态断路器的应用，SiC JFET器件正在得到更多关注。
 
为什么是SiC JFET？
 
JFET即结型场效应晶体管，对于SiC JFET，安森美是这么描述的：“这种器件既充分利用了碳化硅材料的特性，如高导热性、更高电压等级与更低损耗，又融合了 JFET 结构的优势”。
 
SiC JFET的结构与传统JFET类似，由源极、漏极和栅极组成。其沟道通常为N型，栅极通过PN结与沟道相连形成耗尽层，从而调控电流的流动。碳化硅材料的宽禁带特性使器件能够承受更高的电压和温度，其临界击穿电场高，能够在高压条件下保持PN结反向偏置，同时保证沟道导通。
 
因此，SiC JFET具备低导通电阻、可靠栅极控制、无栅氧层的特性。其中，无栅氧层是SiC JFET和SiC MOSFET的最大区别，SiC MOSFET控制机制是绝缘栅电场感应沟道，栅极与沟道之间必须有栅氧绝缘层。
 
而栅氧层的高温可靠性、超高电压可靠性、双极退化等仍是业界难题，而JFET从根本上规避了这些问题。
 
但另一方面，JFET具有常开特性，倘若栅极悬空或无栅极电压，器件将处于完全导通状态。这种特性在大多数应用场景与控制方案中通常是不利因素，因为故障发生时，器件的理想状态应为关断状态。这也是目前SiC MOSFET应用更广泛的核心原因。
 
对于SiC JFET，可以与低压增强型MOSFET串联形成Cascode拓扑，制成常关型器件，以实现低导通阻抗和零栅电流驱动的优势。
 
不过Cascode JFET仅能控制低压Si MOSFET的栅极，同时开关速度过快，不适合固态断路器。
 
另一种方式是组合型JFET，在单个封装内集成了低压MOSFET和JFET。同样是两颗芯片封装在一起，但 SiC JFET 的栅极不再与 Si MOSFET 的源极短接，而是作为一个独立的端子引出，Si MOSFET 仍然连接在主回路中。组合型JFET可以分别控制MOSFET和JFET的栅极，灵活调控开关的电压变化率。通过对JFET栅极施加过驱动电压，组合型JFET还能够进一步降低导通电阻。
 
从固态断路器的应用来看，目前问题在于功耗和发热过大，限制了在大电流场景的使用。传统机械断路器是金属触点连接，电阻在μΩ级别；而即使是SiC JFET，单颗导通电阻也在mΩ级别，相差千倍。
 
不过固态断路器无拉弧、软启动、智能控制、自动复位等能力，能够更好地保护系统中的各类设备，包括数据中心内部昂贵的算力设备。因此，用功耗换安全，固态断路器依然是对于运营方而言具备使用价值的。
 
器件逐渐完善，固态断路器正在加速落地
 
最近英飞凌宣布将为西门子提供1200V碳化硅功率模块，用于SENTRON 3QD2固态断路器产品中。这也正表明市场对于固态断路器的需求是真正存在的，同时高压应用的产品也正在加速落地。
 
就在本周，英飞凌还宣布扩展CoolSiC™ JFET产品组合，推出面向AI数据中心和工业级应用的常关型器件。包括TO-247-4 封装的 1200 V CoolSiC™ JFET，导通电阻最低可至 5.0 mΩ，能够在无需重新设计 PCB 的情况下，直接替换采用标准通孔封装的现有SiC MOSFET 设计。
 
此外，英飞凌还通过新增常关型CoolSiC™ JFET 器件配置，将CoolSiC™ JFET 器件与英飞凌的OptiMOS™ 低压Si MOSFET 集成在单个封装中，进一步扩展了CoolSiC™ JFET的产品组合。
 
双路驱动（Dual Drive）配置可分别接入SiC JFET 和 Si MOSFET 的栅极，从而在整个PCB 层面实现全面控制并提高设计灵活性。该配置还支持在 VGS = 2 V 的条件下过驱（overdrive）运行，可将导通电阻（RDS(on)）降低约 10%。其中，750 V 的产品型号提供 TOLL封装 和 QDPAK 封装两个封装选项，而 1200 V 的产品型号则采用 QDPAK 封装。
 
共源共栅（Cascode）配置在器件内部集成了 SiC JFET 的栅极，但仅对外引出 MOSFET 的栅极。这使其能够与标准栅极驱动配合，实现简单的即插即用操作，无需专用电路。该配置适用于对开关损耗和导通损耗要求都较为严格的应用场景。750 V 的产品型号采用 TOLL 封装。
 
据介绍，英飞凌已量产的采用QDPAK 封装的 CoolSiC™ JFET 器件中，750 V的产品型号导通电阻低至 1.6 mΩ，1200 V 的产品型号导通电阻低至2.3 mΩ，在相同电压等级的 SiC 器件中处于最低水平。
 
同时，采用 QDPAK 封装的750 V 和 1200 V CoolSiC™ JFET 器件将于2026年投入量产。采用 TO-247-4 封装以及采用双驱动（Dual Drive）和共源共栅（Cascode）配置的其他产品型号，目前已经可以面向客户提供工程样品，并将在 2026 年投入量产。
 
安森美通过收购UnitedSiC构建了SiC JFET产品线，目前可提供SiC JFET、SiC Cascode JFET和SiC Combo JFET三个系列的产品，电压覆盖750V和1200V。以SiC Combo JFET UG4SC075005L8S为例，该产品将一个750V的SiC JFET和一个低压Si MOSFET集成在单个TOLL封装中。其具备超低导通电阻RDS(ON)：25℃时为5 mΩ，175℃时为12.2 mΩ；具备常关特性，优化多个器件并联工作性能，工作温度最高可达 175 ℃；具有高脉冲电流能力，极佳器件稳健性，短路耐受能力；采用无引脚TOLL封装（MO-229）。
 
安森美还基于UG4SC075005L8S SiC Combo JFET推出了针对性的SSCB设计方案。该设计方案充分依托UG4SC075005L8S低导通电阻、高集成度及高可靠性的特性，可直接为客户提供适配SSCB应用场景的硬件架构与技术参考，减少客户在器件选型、电路布局及性能调试上的研发投入，助力SSCB产品快速落地。
 
今年二月，至信微宣布1200V 碳化硅JFET系列产品目前已在重要客户端验证通过，进入量产阶段。4月，至信微再次推出全新量产级碳化硅JFET产品：650V 140mΩ SiC JFET。该款650V 140mΩ SiC JFET器件具有优异的导通特性和耐压能力，能够显著降低系统导通损耗，提升整体能效。
 
泰科天润在2025年取得意向SiC JFET横向器件的专利，另外在2020年、2024年也分别取得多项SiC JFET器件的专利，但目前产品上仍未有更多的消息。
 
总体来看，碳化硅器件巨头中，目前参与SiC JFET的玩家并不多，总体市场需求并未明朗。但随着数据中心等新兴市场对于固态断路器的需求，SiC JFET也将会在未来有更广阔的用武之地。