基于碳化硅的电子保险丝与传统保险丝的现代对比分析 - 电力元件展

2025PCIM Asia Shanghai — 上海国际电力元件、可再生能源管理展览会暨研讨会将行于9月24日至9月26日在上海新国际博览中心举行，邀您关注今日上海电子展新资讯：

随着我们共同制定减少排放和实现净零目标的路线，碳化硅技术将在可持续性应用中发挥关键作用。这些应用可以通过在系统中增加电力电子设备(如电机驱动器)或增强现有系统中的电力电子设备来实现，以达到更高的电压并提高效率。随着越来越多的应用集成电力系统，电路保护的需求变得至关重要。

维修或更换组件的成本可能很高，因此设计师正在实施更稳健的电路保护方法。仅限于保护线路的电路中断设备在敏感电子负载的情况下已不再足够。电子电路中断解决方案(如电子保险丝)不仅保护线路，还限制了短路通过电流和传递到故障负载的能量，从而可能防止负载自身损坏。

传统电路保护设备的局限性

传统保险丝是一种一次性使用的设备，在清除故障后需要更换。因此，保险丝被设计为仅在持续高电流时熔断。这可能会保护系统中的线路，但无法保护敏感负载，并可能导致系统级停机。保险丝会随着时间的推移而退化，这显著影响其性能;例如，保险丝变得更敏感，增加了误跳闸的风险，或者它们变得不那么敏感，需要更高的电流才能跳闸。在带有保险丝的系统中，可维护性设计非常重要，因为它们是可更换的设备。从维护的角度来看，保险丝的可访问性至关重要，但这会对系统的长期可靠性产生不利影响。在受保护电路和保险丝舱之间需要保险丝、保险丝座和额外的布线。保险丝舱通常包括面板、紧固件和用于环境保护的密封垫。在高压系统中，通常实施联锁回路，以便在打开保险丝面板时切断系统电源。这些额外的组件实现了可维护性，但每个组件都代表了故障的可能性，进一步缩短了使用寿命。此外，在高压系统中，保险丝只能由经过培训的合格人员更换。

同样，继电器或接触器控制着负载的电源供应。继电器即使在高电流下，其触点上的电压降也很小，但在切换到电容性负载和中断电感性电流时会出现退化。通常使用由继电器和浪涌电阻组成的预充电电路，将下游电容器充电至系统电压的20V以内。这可以防止继电器或接触器触点在激活时焊接在一起，并湿润触点以最小化氧化，否则会导致更高的电阻和功耗。尽管如此，每次激活时触点仍然会退化，这是减少其寿命的长期磨损机制之一。许多使用接触器或继电器与电容性负载的直流配电系统在输入和输出端包括高精度电压测量电路，以确保满足电压差条件。电压测量误差越大，触点上的电位差就越大，退化也就越严重，最终缩短了其寿命。当继电器或接触器关闭时，触点分离，在输入和输出电路之间形成空气间隙。然而，这并不意味着它们没有电气连接。在许多情况下，当继电器打开时，电流通过空气间隙的电弧继续流动一段时间。这进一步降低了触点的性能。

高压电子保险丝的系统级优势

保险丝的不准确性、一次性使用的限制以及继电器和接触器的缺乏耐用性是设计师转向电子解决方案(如电子保险丝)的一些原因。很多时候，可靠性目标是主要原因。电子保险丝的主要优势包括提高的准确性、集成性、功能性、可重置性和系统正常运行时间。然而，主要驱动力是显著提高系统可靠性的机会。

电子保险丝是一种可控且可配置的固态电路中断设备。在400V和800V系统中，碳化硅(SiC)是最佳的功率半导体技术，因为它具有高击穿电压额定值、低导通电阻和高导热性。电子保险丝可以是单向半导体开关，在一个方向上阻断电压和电流，或者是双向开关，在两个方向上阻断电压和电流(例如，从源到负载和从负载到源)。电子保险丝结合了保险丝和机电继电器的功能，并可能包括其他功能，如负载电流报告，从而消除了系统中独立电流传感器的需求。

图1

快速响应时间，如图1中Microchip基于SiC的电子保险丝演示器所示，将短路电流限制在仅几百安培。通过宽带宽电流传感电路并使用默认设置，它在700纳秒内检测到短路，并在1到6微秒内清除故障，具体取决于系统电感。图2中的时间-电流特性(TCC)曲线定义的跳闸行为可通过软件或本地互连网络(LIN)进行配置。TCC曲线包括三种检测方法：结温估计、基于模数转换器(ADC)的电流采样和软件可配置的硬件检测电路。

图2

图3中的检测电路包括带有开尔文检测连接的并联电阻器，以提供精确的电压测量，具有高增益带宽积的运算放大器，具有可配置参考的快速比较器，以及用于实现快速短路检测和保护的置位-复位(SR)锁存器。对于不需要立即响应的过载，电流感应信号由微控制器的ADC和固件处理。该设计包括两种操作模式：边沿触发或穿越模式。在边沿触发模式下，超过阈值的过电流会立即触发关闭。在穿越模式下，过电流立即将SiC MOSFET栅极驱动到较低电压，以延长其短路耐受时间。如果过电流持续时间超过预定义的可配置持续时间，则SiC MOSFET关闭，中断电路。然而，如果电流降至阈值以下，MOSFET栅极将恢复为全栅极驱动。

图3

卓越的短路保护

图4显示了在传统30A保险丝和30A电子保险丝演示器上进行的充电电容器短路测试中的通过电流。为了展示快速响应时间，电子保险丝在更苛刻的操作条件下进行了测试，源电感降低了六倍，导致电流斜率比保险丝测试中陡峭六倍。即使在这种条件下，电子保险丝测试中的短路电流峰值仅为216A，而保险丝允许的峰值电流为3.6kA。电子保险丝的总故障清除时间为672纳秒，而传统保险丝为276微秒。除了快速故障清除时间允许低短路通过电流外，通过能量比传统保险丝低数百到数千倍。在此测试中，电子保险丝的相应通过能量为406mJ，而由保险丝保护的电路为85J。这种显著的性能差异有可能在电子保险丝保护下防止故障负载变为硬故障。

图4

此外，在保险丝测试中，直流链路电容完全放电。然而，在电子保险丝保护的电路中，450V直流总线仅下降了2V，持续时间不到200纳秒。这是一个关键优势，因为它允许系统继续运行，而不用担心设备故障导致直流总线上的电压下降或中断。在许多系统中，故障可能是危险的或导致昂贵的停机，电子保险丝提供了卓越的电路保护水平。总结测试结果，电子保险丝清除短路故障的速度快了300倍，通过电流低了16倍，通过能量低了200倍，同时保持了稳定的直流总线。

正如所展示的，基于SiC的电子保险丝提供了多个系统级优势，不仅比传统解决方案更有效地保护线路和负载，还简化了系统设计以及保护、控制和传感的集成。随着电气化需求的增加，对宽带隙半导体的需求将继续增长，这些应用需要更高的电压、更高的效率和更低的开关损耗。这些应用中的电气系统受益于电子保险丝解决方案，因为它消除了可维护性设计限制，并提高了系统的正常运行时间、可靠性和安全性。

    文章来源：浮思特科技

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