智能斷路器開發(fā)首選SCR：超小尺寸，支持750V浪涌峰壓

X0115ML是ST為接地故障斷路器（GFCI）和電弧故障斷路器（AFCI）設(shè)計(jì)的首款斷態(tài)浪涌峰值電壓750V的緊湊型可控硅整流器（SCR），SOT23-3L微型封裝（2.75mm x 3.10mm），可能是當(dāng)今市場(chǎng)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(shí)讓工業(yè)應(yīng)用具有600V的斷態(tài)重復(fù)峰值電壓。此外，1.1mm的爬電距離滿足UL 840規(guī)范的120V AC無(wú)涂層絕緣要求。

為什么要設(shè)計(jì)工業(yè)GFCI和AFCI？

關(guān)系生命安全的設(shè)計(jì)

▲斷路器

根據(jù)美國(guó)勞工統(tǒng)計(jì)局2021年致死工傷調(diào)查（在冊(cè)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(jiǎn)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(gè)真實(shí)風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在有水的情況下，風(fēng)險(xiǎn)程度非常高，即使是 10mA的“小”電流也能引起嚴(yán)重的休克，而50mA足以引起肌肉收縮，使心臟驟?；蛞鸷粑狡?。

預(yù)防觸電

為了保護(hù)人們用電安全，美國(guó)國(guó)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(tái)了高壓工業(yè)環(huán)境（480V至600V）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(huì)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(huì)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(cè)電弧形狀和電弧幅度，檢測(cè)危險(xiǎn)情況，防止發(fā)生電氣火災(zāi)。因此，AFCI的電子設(shè)計(jì)比GFCI更加復(fù)雜。電弧故障可能是由電線松動(dòng)或過(guò)熱或電流流過(guò)意外物體引起的。所有這些事件都會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度和大規(guī)模的溫度激增，如果不加以控制，將會(huì)引發(fā)電氣火災(zāi)。腐蝕或液體也會(huì)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(guó)家法規(guī)之外，制造商還設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作。當(dāng)想要簡(jiǎn)化設(shè)備維護(hù)時(shí)，斷路器遠(yuǎn)程重置是一個(gè)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(jì)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(hào)

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(gè)技術(shù)特性。過(guò)去，工業(yè)環(huán)境中的設(shè)備不能太靈敏，否則會(huì)導(dǎo)致誤跳閘，保護(hù)設(shè)備會(huì)認(rèn)為存在故障，而實(shí)際上并沒(méi)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30μA至150μA，靈敏度足以適合各類應(yīng)用，同時(shí)仍然符合工業(yè)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。

浪涌峰值電壓

另一個(gè)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(shí)上，為了達(dá)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(duì)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700V，而X0115ML則升至750V。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(qiáng)的EMI保護(hù)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(chǎng)激增，對(duì)電子元器件的需求日益提高，尺寸成為一個(gè)越來(lái)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(guò)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(huì)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5.6mm x 3.05mm的SMBflat-3L封裝。