高壓電氣系統(tǒng)需要怎樣的保護(hù)裝置？

在減少排放和實現(xiàn)凈零目標(biāo)的道路上，碳化硅（SiC）技術(shù)將發(fā)揮關(guān)鍵作用。許多應(yīng)用可以通過在系統(tǒng)中添加電力電子器件（例如電機(jī)驅(qū)動器）或增強(qiáng)現(xiàn)有系統(tǒng)中的電力電子器件以達(dá)到更高的電壓并提高效率。

隨著越來越多的應(yīng)用集成電氣系統(tǒng)，對電路保護(hù)的需求至關(guān)重要。維修或更換組件的成本也越來越高，因此設(shè)計人員正在采取更強(qiáng)大的電路保護(hù)方法。僅限于保護(hù)線路的電路中斷裝置對于敏感的電子負(fù)載已不再足夠。電子電路中斷解決方案（例如電子熔絲）可以保護(hù)線路并限制傳輸?shù)焦收县?fù)載的短路允通電流和能量，從而可以防止負(fù)載自身損壞。

傳統(tǒng)電路保護(hù)裝置的局限性

傳統(tǒng)熔絲是一次性元件，在清除故障后需要更換。因此，熔絲規(guī)定僅在持續(xù)高電流下熔斷。這可以保護(hù)系統(tǒng)中的線路，但無法保護(hù)敏感負(fù)載，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)級停機(jī)。

此外，熔絲會隨著時間的推移而老化，從而嚴(yán)重影響其性能，例如，熔絲會變得更加敏感，這會增加誤跳閘的風(fēng)險；或者變得不那么敏感，需要更高的電流才能跳閘。

由于熔絲是可更換元件，因此在帶有熔絲的系統(tǒng)中，可維護(hù)性設(shè)計至關(guān)重要。從維護(hù)的角度來看，熔絲的可維護(hù)性至關(guān)重要，但這會對系統(tǒng)的長期可靠性產(chǎn)生不利影響。

受保護(hù)電路和熔絲盒之間需要熔絲、熔絲座和額外的線路。熔絲盒通常包含面板、緊固件和用于環(huán)境保護(hù)的墊圈。在高壓系統(tǒng)中，通常會采用聯(lián)鎖回路，以便在熔絲面板打開時切斷系統(tǒng)電源。這些額外的可維護(hù)組件各自都存在故障風(fēng)險，從而進(jìn)一步縮短了熔絲的使用壽命。此外，在高壓系統(tǒng)中，只有經(jīng)過培訓(xùn)的合格人員才能更換熔絲。

類似地，繼電器或接觸器控制負(fù)載的供電。即使在高電流下，繼電器觸點上的壓降也很小，但在切換到容性負(fù)載和中斷感性電流時，繼電器觸點的性能會下降。通常使用由繼電器和浪涌電阻組成的預(yù)充電電路將下游電容器充電至系統(tǒng)電壓的20V以內(nèi)，這可以防止繼電器或接觸器觸點在激活時熔接，并潤濕觸點，最大限度地減少氧化，否則氧化會導(dǎo)致更高的電阻和功耗。

盡管如此，觸點在每次激活時仍然會導(dǎo)致性能下降，這是縮短其使用壽命的長期磨損機(jī)制之一。許多使用帶容性負(fù)載的接觸器或繼電器的直流配電系統(tǒng)在輸入和輸出端都包含高精度電壓測量電路，以確保滿足電壓差條件。電壓測量的誤差越大，觸點上的電位差就越大，性能會進(jìn)一步下降，最終縮短其使用壽命。

當(dāng)繼電器或接觸器斷開時，觸點會分離，在輸入和輸出電路之間形成氣隙。但這并不意味著它們沒有電連接。很多情況下，當(dāng)繼電器斷開時，電流會通過氣隙中的電弧繼續(xù)流動一小段時間，這會進(jìn)一步降低觸點的性能。

高壓電子熔斷器的系統(tǒng)級優(yōu)勢

熔絲的精度不高、一次性使用的限制以及繼電器和接觸器不夠堅固耐用，這些都是設(shè)計師轉(zhuǎn)向電子熔絲（E-Fuse）等電子解決方案的原因。很多時候，可靠性目標(biāo)是主要原因。更高的精度、集成度、功能性、可復(fù)位性和系統(tǒng)正常運行時間是E-Fuse的主要優(yōu)勢之一。然而，轉(zhuǎn)向E-Fuse的最主要驅(qū)動力在于它能夠顯著提高系統(tǒng)可靠性。

E-Fuse是一種可控且可配置的固態(tài)電路中斷裝置。在400V和800V系統(tǒng)中，碳化硅（SiC）因其高擊穿電壓額定值、低導(dǎo)通電阻和高熱導(dǎo)率而成為最佳的功率半導(dǎo)體技術(shù)。

電子熔絲可以是單向半導(dǎo)體開關(guān)，用于阻斷一個方向上的電壓和電流，也可以是雙向開關(guān)，用于阻斷兩個方向上的電壓和電流（例如，電源到負(fù)載和負(fù)載到電源）。電子熔絲結(jié)合了熔絲和機(jī)電繼電器的功能，并且可能包含負(fù)載電流報告等附加功能，從而無需在系統(tǒng)中使用獨立的電流傳感器。

SiC電子熔絲可實現(xiàn)快速響應(yīng)時間，將短路電流限制在僅幾百安培。借助寬帶寬電流檢測電路并使用默認(rèn)設(shè)置，可在700納秒內(nèi)檢測到短路，并在1至6微秒范圍內(nèi)清除故障（具體取決于系統(tǒng)電感）。圖1中時間-電流特性（TCC）曲線定義的跳閘行為可通過軟件或本地互連網(wǎng)絡(luò)（LIN）配置。

TCC曲線包含三種檢測方法：結(jié)溫估算、基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的電流采樣以及可通過軟件配置的硬件檢測電路。

圖1：TCC曲線

圖2中的檢測電路包括一個帶有開爾文檢測連接的分流電阻器（用于提供精確的電壓測量）、一個具有高增益帶寬積的運算放大器、一個具有可配置基準(zhǔn)的快速比較器以及一個置位-復(fù)位 （SR）鎖存器，以實現(xiàn)快速短路檢測和保護(hù)。

圖2：過流檢測和保護(hù)實施

對于不需要立即響應(yīng)的過載，電流檢測信號由單片機(jī)的 ADC和固件處理。該設(shè)計包括兩種工作模式：邊沿觸發(fā)模式或穿越模式。

在邊沿觸發(fā)模式下，超過閾值的過流會觸發(fā)立即關(guān)斷。在穿越模式下，過流會立即將SiC MOSFET柵極驅(qū)動至較低電壓，以延長其短路耐受時間。如果過流持續(xù)時間超過預(yù)定義的可配置持續(xù)時間，則SiC MOSFET將關(guān)閉，從而中斷電路。但是，如果電流降至閾值以下，MOSFET柵極將被驅(qū)動回全柵極驅(qū)動。

卓越的短路保護(hù)

圖3顯示了使用傳統(tǒng)30A和30A E-Fuse演示板進(jìn)行充電電容短路測試時的允通電流。為了證明快速響應(yīng)時間，E-Fuse在更惡劣的工作條件下進(jìn)行了測試，源電感降低了六倍，這導(dǎo)致電流斜坡比熔絲測試中的陡度高六倍。

即使在這種情況下，E-Fuse測試中的短路電流峰值仍僅為216A，而熔絲允許的峰值電流為3.6kA。E-Fuse的總故障清除時間為672ns，傳統(tǒng)熔絲的總故障清除時間為276μs。

除了快速的故障清除時間允許較低的短路允通 （LT）電流之外，允通能量也比傳統(tǒng)熔絲低數(shù)百到數(shù)千倍。本次測試中，電子熔絲的允通能量為406mJ ，而受熔絲保護(hù)的電路的允通能量僅為85J。這種顯著的性能差異有望在采用電子熔絲保護(hù)的情況下，防止故障負(fù)載演變?yōu)橛补收稀?/p>

此外，在熔絲測試中，直流母線電容完全放電。然而，在受電子熔絲保護(hù)的電路中，450V直流母線電壓僅下降了2V，持續(xù)時間不到200ns。這是一個關(guān)鍵優(yōu)勢，因為它允許系統(tǒng)繼續(xù)運行，而無需擔(dān)心設(shè)備故障導(dǎo)致直流母線電壓驟降或下降。

在許多系統(tǒng)中，故障可能造成危險或代價高昂的停機(jī)，而電子熔絲可提供卓越的電路保護(hù)。總結(jié)測試結(jié)果，電子熔絲清除短路故障的速度提高了300倍，允通電流降低了16倍，允通能量降低了200倍，同時保持了直流母線的穩(wěn)定。

圖3：使用熔絲（頂部）和E-Fuse（底部）進(jìn)行短路測試

如上所述，基于SiC的電子熔絲（E-Fuse）具有多項系統(tǒng)級優(yōu)勢，不僅比傳統(tǒng)解決方案更有效地保護(hù)線路和負(fù)載，還能簡化系統(tǒng)設(shè)計以及保護(hù)、控制和傳感的集成。

隨著萬物電氣化對更高電壓、更高效率和更低開關(guān)損耗的需求不斷增長，對寬帶隙半導(dǎo)體的需求也將持續(xù)增長。許多應(yīng)用中的電氣系統(tǒng)將受益于電子熔絲解決方案，因為它消除了可維護(hù)性設(shè)計的限制，并提高了系統(tǒng)正常運行時間、可靠性和安全性。