SiC JFET和双向GaN推动固态断路器市场增长，2032年全球SSCB市场达81.7亿美元

以SiC JFET、双向GaN为代表的宽禁带半导体正推动固态断路器市场快速增长。宽禁带半导体（WBG）的转向为固态断路器（SSCB）注入了一剂强心针。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，SSCB正在性能上树立新标杆，包括更快的分断速度、消除电弧以及更简单的热管理系统。

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50.6亿美元增长至2032年的81.7亿美元，复合年增长率为8.22%。报告指出，智能电网的扩展、可再生能源的接入以及电动汽车充电基础设施向直流架构的演进是市场增长的主要驱动力。

SSCB在推进直流系统中的角色

随着直流网络加速发展，对直流功率变换器的需求也在上升。然而，直流功率变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故障发生时无法足够快地切断上升的直流电流。

与交流系统不同，直流架构减少了功率转换级数，且宽禁带半导体的损耗显著更低，从而提高了电力系统的效率。但直流系统也面临独特的安全挑战：故障电流几乎在瞬间（微秒级）达到峰值，且没有自然的过零点，因此需要更快的电路保护方案。如果不能及时切断故障，会产生电弧，迅速损坏敏感的功率电子器件和其他组件。

一篇发表在IEEE Power Electronics Magazine上的文章指出，当前和近期采用直流架构的潜在市场包括商业/住宅建筑、舰船电力网络、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。

SiC JFET：实现微秒级故障中断

在器件层面，碳化硅结型场效应晶体管（JFET）为固态断路器提供了更快的故障中断能力、超低导通损耗和更好的热管理能力。目前主要推动SiC JFET固态断路器应用的供应商包括onsemi和英飞凌。

图1：Onsemi的SiC Combo JFET器件，提供表面贴装和通孔封装。

onsemi正在通过收购Qorvo的SiC JFET业务快速扩展其EliteSiC JFET产品组合。onsemi将其称为Combo JFET，因为它将一个SiC JFET和一个低压硅MOSFET集成在单个封装中，SiC JFET和低压MOSFET的栅极均可访问。据onsemi介绍，SiC Combo JFET的架构允许使用标准硅栅极驱动器，简化了从硅基设计向SiC 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优异的热稳定性。通过完全消除标准SiC MOSFET中固有的栅氧化层和沟道电阻，onsemi在SiC Combo JFET的导通电阻方面实现了显著改进。onsemi提供650V至1700V范围的器件，超低导通电阻低至5mΩ，而芯片尺寸不到原来的一半。

英飞凌则准备了750V至1200V的高压CoolSiC JFET产品组合，750V器件导通电阻低至1.5mΩ，1200V器件为2.3mΩ，采用顶部冷却Q-DPAK封装。多家固态断路器制造商正在使用英飞凌的SiC JFET以及栅极驱动器、传感器、通信IC和存储器等配套组件。

图2：英飞凌的智能SSCB设计将五种功能——动作、连接、测量、电弧检测和保护——集成到单个封装中

双向GaN：从实验室走向商业化

在氮化镓方面，将商用双向GaN器件用于固态断路器的研究已在实验室中得到验证。一个典型案例是瑞萨电子子公司Transphorm，在美国能源部ARPA-E项目的部分资助下，伊利诺伊理工学院的研究人员展示了一款基于GaN的双向固态断路器原型，采用了Transphorm提供的650V双向GaN FET。今年早些时候，瑞萨宣布了650V双向GaN的商业化供货。

图3：伊利诺伊理工学院研究人员在ARPA-E项目资助下开发的基于GaN的双向固态断路器原型。

从机械断路器向固态断路器的过渡

不到十年前，Atom Power提出将机械断路器转型为固态版本，以提高电气安全和机架保护。创始团队认为，传统的机械断路器不适用于数据中心等关键任务环境，因为故障事件发生在微秒级。2019年，Atom Power推出了首款通过UL认证的固态断路器。此后，西门子、ABB、施耐德电气和伊顿等十多家电气巨头和主要半导体制造商已进入这一市场。

西门子与英飞凌合作，在数据中心和工厂的先进固态断路器中采用了SiC功率模块。ABB则推出了一款针对直流电网和系统的固态断路器，采用其专有的硅基反向阻断集成门极换流晶闸管，可阻断2.5kV电压、导通2500A额定电流，并能在6.8A故障电流下实现中断。ABB称其SACE Infinitus固态断路器是世界上首款通过IEC60947-2认证的断路器，检测和清除短路故障的速度比传统断路器快100倍，使用寿命也更长。

图4：西门子最新的先进SSCB产品SENTRON 3QD2，集成了英飞凌的62mm 1200V CoolSiC MOSFET模块。

随着电气化环境的扩展和交流/直流电网的扩大，对数字化固态断路器的需求将持续增长，推动智能固态断路器在未来数年的发展势头。

来源： Power Electronics News

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