智能斷路器開發(fā)首選SCR：超小尺寸，支持 750 V浪涌峰壓

來源：意法半導(dǎo)體博客

X0115ML是ST為接地故障斷路器 (GFCI) 和電弧故障斷路器(AFCI)設(shè)計的首款斷態(tài)浪涌峰值電壓750 V的緊湊型可控硅整流器(SCR)，SOT23-3L微型封裝 (2.75 mm x 3.10 mm)，可能是當(dāng)今市場上最小的晶閘管，工程師可以節(jié)約很大的電路板空間，同時讓工業(yè)應(yīng)用具有 600 V 的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓。此外，1.1 mm 的爬電距離滿足 UL 840規(guī)范的120 V AC無涂層絕緣要求。

為什么要設(shè)計工業(yè) GFCI 和 AFCI？

關(guān)系生命安全的設(shè)計

斷路器

根據(jù)美國勞工統(tǒng)計局 2021 年致死工傷調(diào)查（在冊最新一年的數(shù)據(jù)），因接觸有害物質(zhì)或環(huán)境致死的 798 人中，觸電是第二大死因（152 人），僅次于接觸有害物質(zhì)（551人）致死。 簡而言之，觸電傷亡是工廠工人和在工業(yè)環(huán)境中工作的工人面臨的一個真實風(fēng)險，尤其是在有水的情況下，風(fēng)險程度非常高，即使是 10 mA 的“小”電流也能引起嚴(yán)重的休克，而 50 mA 足以引起肌肉收縮，使心臟驟停或引起呼吸窘迫。

預(yù)防觸電

為了保護人們用電安全，美國國家電氣法規(guī)開始要求在住宅設(shè)備中使用 GFCI斷路器，并于 2000 年出臺了高壓工業(yè)環(huán)境（480 V 至 600 V）法規(guī)。大多數(shù)人都熟悉斷路器中的傳統(tǒng)的 GFCI。該系統(tǒng)監(jiān)視火線和零線的電流，以確定從插座流出的電流是否返回地線。如果兩條電線的電流相等，則一切正常。如果存在差異，系統(tǒng)就會認(rèn)為電流向其他地方，例如，流經(jīng)觸電的人體。在這種情況下，GFCI 就會使火線和零線之間的電路跳閘，中斷電流。

預(yù)防電氣火災(zāi)

另一方面，AFCI 監(jiān)測電弧形狀和電弧幅度，檢測危險情況，防止發(fā)生電氣火災(zāi)。 因此，AFCI 的電子設(shè)計比 GFCI 更加復(fù)雜。電弧故障可能是由電線松動或過熱或電流流過意外物體引起的。所有這些事件都會產(chǎn)生高強度和大規(guī)模的溫度激增，如果不加以控制，將會引發(fā)電氣火災(zāi)。腐蝕或液體也會導(dǎo)致電弧故障，在工業(yè)環(huán)境中，這可能造成嚴(yán)重后果。

讓工廠變得更智能

除了此類產(chǎn)品適用的國家法規(guī)之外，制造商還設(shè)計更智能的 GFCI 和 AFC，將其連接到云端，收集更多的用電數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動化操作。當(dāng)想要簡化設(shè)備維護時，斷路器遠程重置是一個非常有用的功能。然而，這些功能需要更多的電子元器件，例如，微控制器、射頻收發(fā)器、傳感器等。因此，新的GFCI 和 AFCI 必須封裝更多的組件，但是電路板尺寸必須保持不變，這意味著工程師必須尋找更小的組件，才能提高總體設(shè)計密度。然而，考慮到產(chǎn)品的關(guān)鍵特性，他們不能為了更小的封裝而犧牲器件性能及穩(wěn)定可靠性。

X0115ML，在工業(yè) GFCI 或 AFCI 中集成可控硅整流器，需要注意些什么？

柵極觸發(fā)電流

X0115ML的標(biāo)記符號

SCR是GFCI 或 AFCI 的核心組件，柵極靈敏度是許多人關(guān)注的SCR的第一個技術(shù)特性。過去，工業(yè)環(huán)境中的設(shè)備不能太靈敏，否則會導(dǎo)致誤跳閘，保護設(shè)備會認(rèn)為存在故障，而實際上并沒有故障。究其原因，隨著設(shè)備使用的功率顯著增加，正常電流變化明顯高于住宅用設(shè)備。X0115ML 的柵極觸發(fā)電流范圍是 30 μA 至 150 μA，靈敏度足以適合各類應(yīng)用，同時仍然符合工業(yè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。

浪涌峰值電壓

另一個關(guān)鍵指標(biāo)是斷態(tài)浪涌峰值電壓，這是決定晶閘管魯棒性的關(guān)鍵指標(biāo)。事實上，為了達到預(yù)期效果，尤其是在工業(yè)環(huán)境中，SCR 必須能夠應(yīng)對非常高的尖峰電壓。傳統(tǒng)上，大功率系統(tǒng)器件的斷態(tài)浪涌峰值電壓是700 V，而 X0115ML 則升至 750 V。因此，工程師可以享受更大的電壓安全裕量，并可以在更多設(shè)備中使用 ST 器件。此外，我們還提供了更強的 EMI 保護措施，以提高其在使用壽命內(nèi)的魯棒性。

封裝尺寸與整體尺寸

最后，隨著智能電路中斷器市場激增，對電子元器件的需求日益提高，尺寸成為一個越來越重要的衡量指標(biāo)。通常，工業(yè) GFCI 和 AFCI用 SCR采用 SOT-223 封裝。因此，通過改用 SOT-23-3L封裝，我們可以將器件整體占板面積減少到標(biāo)準(zhǔn)封裝的五分之一，而不會影響性能或 UL 840 要求。X0115ML 甚至比X0115MUF, 還要小，后者具有相同的柵極觸發(fā)電流和直接浪涌電壓，不同的是采用5.6 mm x 3.05 mm 的 SMBflat-3L 封裝。

審核編輯 黃宇