固態(tài)繼電器和固態(tài)斷路器時代將至

機電繼電器和斷路器作為一種成熟的技術已廣為人知，大量應用在各種場合，但是它們?nèi)匀淮嬖谝恍┕逃腥毕?。盡管采用基于半導體的固態(tài)技術可以解決這些問題，但設計中又會面臨一系列挑戰(zhàn)。到底，什么才是正確的解決方案呢？

目前，高壓繼電器和斷路器大部分都是機電式的。

除了人們百年來已經(jīng)習慣使用繼電器和斷路器外，工程領域也普遍認為，半導體技術不適合應用于高壓開關。但近年的功率半導體技術發(fā)展，正在改變這種現(xiàn)象，轉變?nèi)藗兊墓逃杏∠?，本文就將對此進行介紹。

機電VS固態(tài)

對此，我們有必要回顧一下什么是機電繼電器和斷路器，以及固態(tài)繼電器和斷路器的發(fā)展狀況。

機電繼電器和斷路器產(chǎn)生的噪音來自于它們的物理特性，電磁吸引/放開快速移動的金屬觸點會產(chǎn)生音頻和電氣噪音。其中，機械觸點的動作是一個故障點，壽命有限，疲勞主要發(fā)生在觸點的表面，這是因為接通高電壓可能會產(chǎn)生電弧，導致在觸點在完全接觸之前氣隙已經(jīng)擊穿，產(chǎn)生弧隙電壓和弧隙電流，并產(chǎn)生高溫，觸點分斷時會出現(xiàn)相同的現(xiàn)象，甚至更嚴重。

這里需要說明的是，觸點在接通和分斷時，觸點會出現(xiàn)交流或直流電壓。接通和分斷交流電壓時不是零電壓開關，則每次繼電器動作時都有可能會產(chǎn)生電弧。最終導致觸點迅速退化，觸點之間的電阻增加，甚至熔合在一起。這也是為什么機電繼電器和斷路器制造商在產(chǎn)品手冊中給出了使用壽命。

使用固態(tài)繼電器切換交流電時，通常會執(zhí)行零電壓開關，可以確保器件電壓達到最低時動作。在切換直流電壓和電流時，可以利用固態(tài)開關快速特性，快速分斷以避免過大的浪涌電流，這最終使得繼電器或斷路器在整個使用壽命期間變得更加可靠，其壽命可能要比機電繼電器/斷路器更長。

工程師喜歡使用機電繼電器/斷路器，其理由非常簡單充分：成本、性能和功能。的確，在成本方面，固態(tài)繼電器/斷路器要高于機電繼電器/斷路器，但考慮到使用壽命以及維護、保養(yǎng)和運行成本，固態(tài)繼電器/斷路器更具成本優(yōu)勢。

在性能方面，最重要的參數(shù)就是觸點開關的電阻引起的功率損耗。對于機電觸點來說，新的時候觸點電阻較低，但隨著時間的推移，觸點電阻勢必會增大，損耗也增大。而使用固態(tài)解決方案時，其功率損耗與導通電阻直接相關，新一代的功率半導體導通電阻有了長足的改進，在使用壽命期間，導通電阻不會發(fā)生變化。在理想情況下，導通損耗和半導體成本，可以通過品質(zhì)因數(shù)（即面積導通電阻，RDS(on)*A）來表示, 這是半導體制造商的關注重點，也是英飛凌通過CoolMOS技術平臺的優(yōu)勢。

圖1：超級結MOSFET RDS(on)*A隨耐壓值變化的優(yōu)勢

另一個問題是安全性。固態(tài)開關沒有活動部件，開關速度要比機電開關快得多，這是優(yōu)點，但也存在一個缺點：輸入和輸出之間沒有任何物理斷點，在許多人機接觸界面中，安全法規(guī)對高壓輸入和輸出之間的電氣絕緣有相關規(guī)定。

電氣絕緣是固態(tài)技術的劣勢，所以混合式斷路器或繼電器的概念應運而生，即使用固態(tài)器件來切換高壓，然后機電繼電器做為機械斷點在零電壓、零電流下開關，這時可以選用小規(guī)格的機電開關。

當然，也有許多應用并不需要電氣絕緣，但是，斷路器的現(xiàn)有法規(guī)仍然是依據(jù)機電器件制定的，沒有充分考慮固態(tài)器件的特點和卓越性能。固態(tài)開關的標準正在制定中，就電氣絕緣要求而言，對于某些具體應用，它們可能會不再這么嚴格。

超級結MOSFET的興起

固態(tài)開關是通過功率半導體實現(xiàn)的，迄今為止，使用最為廣泛的材料是硅。對于交流開關，特別是在零電壓開關應用中，三端雙向可控硅開關Triac和可控硅整流器SCR為首選，MOSFET通常用于開關直流電壓，而IGBT可用于交流和直流開關。

但是，這些功率半導體開關都會因為導通電阻而產(chǎn)生損耗，損耗產(chǎn)生熱，可能需要散熱器，最終增加了系統(tǒng)空間和材料清單。

圖2：固態(tài)繼電器的體積大大縮小

超級結MOSFET可以有效降低了導通電阻RDS(on)。自二十世紀九十年代以來，英飛凌始終是超級結MOSFET的領航人，且不斷開發(fā)該技術。與其他MOSFET結構相比，它具有明顯的優(yōu)勢，特別是在按面積計算的導通電阻RDS(on)*A方面，這就相應地降低了損耗，而且成本更低，還可在自然冷卻的條件下，用于更高電壓和電流的應用。

憑借CoolMOS 7技術，英飛凌成為了RDS(on)*A的領航人。另外，英飛凌發(fā)布一個新技術——CoolMOS S7，該技術提供更低的RDS(on)*A，并通過適當提高開關損耗，優(yōu)化降低導通電阻。在固態(tài)繼電器和斷路器應用中，這完全符合對器件的性能要求，固態(tài)繼電器和斷路器無需高頻開關。

結語

使用固態(tài)/混合繼電器和斷路器有不少優(yōu)勢，顯著加快開通和分斷時間、消除機電繼電器或斷路器存在的電弧和噪音，從本質(zhì)上講，擁有更好的可靠性和可預測性，使用壽命也更長，英飛凌CoolMOS 7 、碳化硅MOSFET和SSI系列固態(tài)隔離器等解決方案正在解決一些常常影響應用的短板。

英飛凌最新的超級結MOSFET平臺在固態(tài)繼電器和智能斷路器設計方面取得了重大突破。它實現(xiàn)了前所未有的RDS(on)*A品質(zhì)因數(shù)，可滿足設計人員及其最終市場的需求。更重要的是，固態(tài)繼電器比機電繼電器要小得多，節(jié)省安裝空間。

超級結MOSFET只是英飛凌產(chǎn)品家族中的一員，它滿足了電源領域亟待創(chuàng)新的需求。得益于CoolMOS 7、碳化硅MOSFET、SSI系列固態(tài)隔離器等技術的發(fā)展，固態(tài)繼電器和斷路器的可行性越來越高。英飛凌有著悠久的創(chuàng)新歷史，并將繼續(xù)開發(fā)和交付以更低的成本實現(xiàn)更多優(yōu)勢的解決方案。