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高壓電氣系統需要怎樣的保護裝置？

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高壓電氣系統需要怎樣的保護裝置？

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高壓電氣系統需要怎樣的保護裝置？


在減少排放和實現凈零目標的道路上 ， 碳化硅（SiC）技術將發揮關鍵作用 。 許多應用可以通過在系統中添加電力電子器件（例如電機驅動器）或增強現有系統中的電力電子器件以達到更高的電壓并提高效率 。


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


傳統電路保護裝置的局限性


傳統熔絲是一次性元件 ， 在清除故障后需要更換 。 因此 ， 熔絲規定僅在持續高電流下熔斷 。 這可以保護系統中的線路 ， 但無法保護敏感負載 ， 并可能導致系統級停機 。


此外 ， 熔絲會隨著時間的推移而老化 ， 從而嚴重影響其性能 ， 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中 ， 可維護性設計至關重要 。 從維護的角度來看 ， 熔絲的可維護性至關重要 ， 但這會對系統的長期可靠性產生不利影響 。


受保護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、緊固件和用于環境保護的墊圈 。 在高壓系統中 ， 通常會采用聯鎖回路 ， 以便在熔絲面板打開時切斷系統電源 。 這些額外的可維護組件各自都存在故障風險 ， 從而進一步縮短了熔絲的使用壽命 。 此外 ， 在高壓系統中 ， 只有經過培訓的合格人員才能更換熔絲 。


類似地 ， 繼電器或接觸器控制負載的供電 。 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充電電路將下游電容器充電至系統電壓的20V以內 ， 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致性能下降 ， 這是縮短其使用壽命的長期磨損機制之一 。 許多使用帶容性負載的接觸器或繼電器的直流配電系統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 ， 性能會進一步下降 ， 最終縮短其使用壽命 。


當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 ， 當繼電器斷開時 ， 電流會通過氣隙中的電弧繼續流動一小段時間 ， 這會進一步降低觸點的性能 。


高壓電子熔斷器的系統級優勢


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 ， 這些都是設計師轉向電子熔絲（E-Fuse）等電子解決方案的原因 。 很多時候 ， 可靠性目標是主要原因 。 更高的精度、集成度、功能性、可復位性和系統正常運行時間是E-Fuse的主要優勢之一 。 然而 ， 轉向E-Fuse的最主要驅動力在于它能夠顯著提高系統可靠性 。


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


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


SiC電子熔絲可實現快速響應時間 ， 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設置 ， 可在700納秒內檢測到短路 ， 并在1至6微秒范圍內清除故障（具體取決于系統電感） 。 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絡（LIN）配置 。


TCC曲線包含三種檢測方法：結溫估算、基于模數轉換器（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的快速比較器以及一個置位-復位 （SR）鎖存器 ， 以實現快速短路檢測和保護 。


圖2：過流檢測和保護實施


對于不需要立即響應的過載 ， 電流檢測信號由單片機的 ADC和固件處理 。 該設計包括兩種工作模式：邊沿觸發模式或穿越模式 。


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


卓越的短路保護


圖3顯示了使用傳統30A和30A E-Fuse演示板進行充電電容短路測試時的允通電流 。 為了證明快速響應時間 ， E-Fuse在更惡劣的工作條件下進行了測試 ， 源電感降低了六倍 ， 這導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 ， 允通能量也比傳統熔絲低數百到數千倍 。 本次測試中 ， 電子熔絲的允通能量為406mJ， 而受熔絲保護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的情況下 ， 防止故障負載演變為硬故障 。


此外 ， 在熔絲測試中 ， 直流母線電容完全放電 。 然而 ， 在受電子熔絲保護的電路中 ， 450V直流母線電壓僅下降了2V ， 持續時間不到200ns 。 這是一個關鍵優勢 ， 因為它允許系統繼續運行 ， 而無需擔心設備故障導致直流母線電壓驟降或下降 。


在許多系統中 ， 故障可能造成危險或代價高昂的停機 ， 而電子熔絲可提供卓越的電路保護 。 總結測試結果 ， 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定 。


圖3：使用熔絲（頂部）和E-Fuse（底部）進行短路測試


如上所述 ， 基于SiC的電子熔絲（E-Fuse）具有多項系統級優勢 ， 不僅比傳統解決方案更有效地保護線路和負載 ， 還能簡化系統設計以及保護、控制和傳感的集成 。
【高壓電氣系統需要怎樣的保護裝置？】

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




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