1. 总体介绍

 

快速熔断器在大电流情况下能保护门极关断(GTO)晶闸管的结面。法国法雷(FERRAZ SHAWMUT)的熔断器目前在各领域保护着大量GTO逆变器。由于绝缘门极双极晶体管(IGBT)的I2t非常之低,熔断器无法保护其结面。

 

和其他半导体设备一样,由于其元件内部的能量急剧增大,大电流故障会导致IGBT爆炸。然而,大量电力试验证明IGBT的爆炸I2t可以确定,快速熔断器有能力防止IGBT爆炸。

 

此外,大量试验测试了熔断器对电路电感量的影响,以及高频情况下熔断器的载流能力。可以说,熔断器技术和电路设计对于电路总电感影响重大。(Ldi/dt)

 

通过适当的特性曲线和数据进行熔断器选型以保护逆变器是非常必要的。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1: 常规的强制换向逆变器

 
 

 

 

 

 


  1. 熔断器的用途

 

熔断器的用途是防止半导体元件爆炸,甚至在发生短路时保护半导体元件的结面。对于图2显示的电路,熔断器的主要作用是在两个串联桥臂同时导电引起短路时阻止电容放电。当一个半导体元件在错误的时候被触发或损毁,两个桥臂之间会产生短路。

由于L电感量很低,di / dt就会很高,因此熔断器会迅速动作。

 

短路电流为电容放电的ic和来自电源侧的id的总和。

 

由于电感lL大的多,所以当熔断器熔断时,电流idic比小到可以忽略不计。

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 


  1. 熔断器的位置

 

3 种可能:

·          逆变器桥臂上放置熔断器(图3):

·          逆变器直流回路上放置熔断器(图4):熔断器电流额定值是桥臂上熔断器额定值的1.732

·          直流馈线上熔断器的位置(图5: 在电容(或其它种类的直流电源)和整流器之间

也可以结合图5和图3,或结合图5和图4

 

4: 逆变器直流回路上的熔断器

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


4.       熔断器选型的主要参数

 

IGBTGTO元件损坏,电容支路会发生短路,熔断器会如图6显示对电路进行保护。

 l

 

 

 

R

 
 


参数定义:

E   直流电源的电压值

u   电容的瞬时电压

ic   电容输出的瞬时故障电流

id  直流电源输出的瞬时故障电流

L   电容放电电路的总电感量

l   直流电源和电容之间的电感量

R   电容放电电路的电阻值

 

 

6: 电容放电

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


4.1.            迅速选择熔断器的条件

 

 

对于此类逆变器,电容和提供直流电压的整流器之间有电感ll通常比L大的多。在大部分情况下,电容放电的首个半周期,来自整流器的id可以忽略不计。以下情况可足以证实id可忽略不计:

l  ³ 10 L.

 

电阻值R(包括熔断器的电阻值)通常低到允许电容放电振荡。振荡条件为:

R £

 

为了简化熔断器选型计算,R的条件被定义如下:

R £

 

通过Rl的条件,振荡频率T可用以下简化公式计算得出。故障电流I和电压u

 

                           

                                   

 

更大的R电阻值是可以接受的,但简化公式和在本文中提及的简单熔断器选择方法不再完全被接受,因为此时振荡波形不再近似于正弦波。然而,电脑和模拟软件可针对任何短路情况做出精确的计算分析。

 

·          电容电压u

 

尽管电压u在振荡,但这并不意味着熔断器在交流电压下工作。熔断器弧前状态结束时tp时),熔断器内部开始起弧。同时,电容两端电压不再振荡(熔断器不再为低阻抗)。熔断器内的电弧改变了电路的特性。熔断器弧前状态结束时,电容两端的电压为:

 

由于熔断器在直流电压下起弧,所以有必要明确允许熔断器起弧的最大电压UPM。该电压值也是熔断器的特性之一,必须符合以下条件:

 

UP £ UPM

 

 

 

 

在灭弧之后,电源会使电容两端产生过压并放电,这是一个暂态现象,峰值暂态电压为UTRANSIENT。该暂态电压比初始电压E高很多(图7)。假设电路没有电阻,并且电容已经充分放电,最大暂态电压理论上可以达到2E

 

实际为: Utransient = 1.75 E 

 

在此峰值情况下,熔断器内部会再次起弧。因此,初始的电源

电压E必须小于等于最大值EM

 

 

EM是熔断器的另一特性。选择熔断器时必须检查以下条件:

 

 

£  EM

 

 

 

7:  电容两端电压

 
 


·         弧前时间tp 

 

由于Utransient取决于熔断器弧前时间内电容两端电压降,因此弧前时间tp不能太长。当E = EM时,其推荐值为:tp  <  T / 6

 

tp  <  T / 6

 

注意1: tp  =  T / 6,电容两端电压为:Up = E / 2.

然后,最大电容两端的最大瞬时峰值电压约为1.6E

注意 2:  显然,当直流电压E远小于被选熔断器的EM时,以上这些条件并不重要。

 

 

T作为参考条件,其目的在于限制电容两端电压达到最大的时间长度。如果此条件不能满足,要切断故障就几乎等于要切断由电池供电的直流电路,所有计算也会有所不同。T的期望值应为:

T £ 10 ms.

 

4.2.            熔断器的必要信息

 

§4.1阐述了所有的注释和条件。熔断器制造商必须给各种熔断器产品确定这些相应的参数值,诸如EMUPM,以及特定的曲线图,使得用户可以计算tp、总的I²t和电弧电压Um等值。请参阅图12131415

 

 

在表格中(图12),参数G有关,并可以此计算弧前时间和总的动作时间。§ 8中的例子阐明了如果运用这些数据和曲线图。

 

  1. 熔断器电感量

电感L的值主要取决于线路形状和长度。当熔断器被应用到电路中时,其改变了线路的形状和长度。因此,整个线路的电感L变为L + DL 。(图8

 

DL并不是位于熔断器内部的恒量电感。

 

法雷结合图11显示的线路测量了多种熔断器的DL。法雷针对线路配备熔断器和不配备熔断器的情况,在线路闭合后测试了di/dt

 

不配备熔断器Without fuse di / dt = E/L

配备熔断器With fuse      di / dt = E/(L+DL)

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

在测量过程中,熔断器取代了铜母排,最大程度确保线路长度不变。当熔断器形状为扁平时,其DL 非常小(如图9所示)。

 

  例: DL = 10nH  - 50毫米长的扁平熔断器。

 

DL = 35nH  - 300毫米长的扁平熔断器。for a 300 mm long flat fuse.

 

IGBT为大型电力元件,其爆炸会直接影响到人身和财产安全。

 

为了保护电力IGBT元件,防止其爆炸,熔断器必须能够最高承受7.2千伏高压,其熔断极限i²t也必须小于IGBT的爆炸i²t

 

超快速熔断器是一种保护IGBT电力转换设备的安全而可靠的元件。

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


                                                                                                                 

 

  1. 高频影响

 

6.1.            对熔断器的影响

 

在高频状态下,电流会产生两种现象:

表面效应和临近效应。

 

 

·          表面效应:

熔断器熔芯内会产生表面效应,尽管其厚度小于0.5mm,因为

电流密度在熔芯带上分布不均(图10);熔芯带深处没有表面效应,

其表面效应的深度在5kHz时为0.95mm。表面效应主要出现在导电接触的部位。

 

均流与频率和熔断器同其他导体间距离d有关(距离d越短,均流越不差)。

d > 200mm,并且频率低于20 000赫兹,熔断器内部的邻近效应可以忽略不计。邻近效应比表面效应对熔断器的影响更大。

表面效应危害要小得多,但当频率超过1000赫兹,其影响不能忽略。

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 


高频带来的其他问题还有磁性部件的磁滞损耗引起的过热问题。这就是为什么当频率超过1000赫兹时,PROTISTOR熔断器不使用磁性部件。

1

 
 

 


6.2.            修正系数CPE 对熔断器额定电流的影响

频率 ( 赫兹 )

CPE

100 

500

0.95

501

1500

0.90

1501

5000

0.80

5001

10000

0.70

10001

20000

0.60

当主电流处于高频状态,修正系数CPE 如表1所示。

1所示数据并不精确,因为其没有考虑多少个熔芯并联的情况,也没有考虑距离d的影响,但其已足够应对熔断器选型。

 

 

 
 

 


,对于大部分应用,仅有谐波为高频成份,熔断器电流为:i= i0+ i1+ i2 +.. + iK

²         i0 为电流主要部分:大多数情况,直流电流或50Hz电流.. 

²         i1 ,i2….. iK    是显著的谐波。

 

熔断器的电流有效值为:

 

熔断器额定电流的计算可等效为:

(也就是CPE的全程值为:  )

 

各谐波的CPEK是以上表格显示的各谐波频率的函数。

 

可通过IEQ和所有经典的修正参数计算出熔断器额定电流IN

A1 为温度系数,C1 为连接方式系数,A’2 为交变电流情况下的老化系数)

 

尽管谐波往往不能得以确定,但有必要根据IGBT的开关频率估算CPE。根据表2可估算:

 

2 – 直流侧配备熔断器

 

3 – 臂上配备熔断器

开关频率 ( 赫兹 )

总的CPE

开关频率 ( 赫兹 )

总的CPE

  100 

500

1

  100 

500

1

501

1 500

0.95

501

1 500

0.90

1 501

5 000

0.90

1 501

5 000

0.85

5 001

10 000

0.85

5 001

10 000

0.80

10 001

20 000

0.80

10 001

20 000

0.75

 

注意:该系数可应用到总电流的有效值的估算上,也就是:

 

因此,可通过IEQ和所有经典的修正参数计算出熔断器额定电流IN

 

6.3.              IGBT开关频率的影响

IGBT元件在任何频率下都不能在额定电流下工作。事实上,具有高额定电压和电流的IGBT元件比小额定规格产品对频率更为敏感,电流等级降得更快。 IGBT和熔断器的比较显示,熔断器在低频时受影响更为严重,然后高频时熔断器表现更好,尤其是频率高于10kHz时。

 

  1. 75A IGBT的爆炸

 

对不同IGBT 元件在配备或不配备熔断器的情况下进行测试。§7.1., §7.2. and §7.3显示了使用1200 V 75 A IGBT元件的测试结果。

 

7.1.            不配备熔断器的测试

 

配备1200 V  75 A  IGBT的测试结果为:

连接处熔断的时间为:t1 = 35 µs相应的i2t12 700 A²S             

最大峰值电流出现的时间为:t2  = 55 µs,相应的i2t35 000 A²S

爆炸发生的时间为:t3  = 66 µs,相应的i2t48 800 A²S

 

7.2.            IGBT串联315A熔断器的测试

 

测试结果,熔断器的总 I²t27 500 A²SIGBT观察不到外部损伤。

 

7.3.              IBGT串联400A熔断器的测试

测试结果,熔断器的总I²t37 000 A²S IGBT的外壳可看到一些损伤(变形、开裂)。

 

7.4.            结论

 

所有以上测试显示,熔断器可保护1200 V  75 A  IGBT。用于熔断器选型的外壳开裂I²t可取值为30 000 A²S

 

  1. 采用IGBTPWM逆变器保护实例

 

8.1.            规格

                                     

E = 600V 最大值

R = 10-3 W (包括所选熔断器的内阻).

L = 2.2 10-7 H

C = 2 10-3 F

l = 10-4 H

直流回路中的两个熔断器(图4): 通过熔断器的电流为130 A               

 

5kHz时的额定电流(有效值):75 A

FERRAZ SHAWMUT的实测爆炸i²t(详见§7):30 000 A²S(而非连接处的熔断 I²t = 12700 A²S

阻塞电压:1200V

 

·         逆变器的工作条件:

IGBT的工作频率:5 kHz  - 75 A有效值

环境温度:50°C

自然风冷

 

·         没有配备熔断器时,电容放电的电路特性:

周期T = 132 µs

最大峰值电流 Imax = 53 200A

首个最大峰值电流的发生时间 tm = 32 µs

66µs首个半波的i²t93 300 A²S

远大于IGBT的连接处的熔断 i²t.

 

可选择PSC 690 V URD系列的熔断器,因为EM = 900V  (见图12131415的熔断器数据

 

8.2.            熔断器额定电流的选择

 

使用到的修正系数为:

 = .894 

C1 = 0,85

A3  = 0,80

CPE = 0,9 

 
 


熔断器的额定电流IN为:

                   

 

因此,可选择250A额定电流的熔断器。

 

8.3.            熔断器的运作时间和i²t 的计算

可通过故障发生时di/dt的最大值计算弧前时间tp                               

结果还要乘以图12中的针对不同熔断器额定电流的系数G。以315A熔断器为例:


130 V的曲线图显示了弧前时间tp G di/dt函数关系。因此,弧前时间为:

tp = 14 10-6 s                    tp < T/6  可得以验证,因为 T/6 = 22 10-6s.

 

tp = 14 µsUP的计算结果为:


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 
 

 

 

 


UPM = 600V,条件U< UPM  可因此得以验证。

两个熔断器将串联运作。弧前时间为 tp = 14 10-6 s,并且可确认两个熔断器均匀地分担电压。因此,可在熔断器运作在471 / 2 = 236 V 时,计算出总的i²t 。总的I²t等于列表(图12)中给出的弧前I²t乘以修正系数k(图14中的曲线图)。曲线图显示Up = 236 VK = 1.4250A熔断器的弧前I²t5800 A²S 熔断器的总I²t5800 * 1.4 = 8120 A²S (大大低于IGBT所允许的30000 A2s)

 

i²t  = 8120 A²S   

 

15所示的曲线图显示Um = 630V 。该值低于IGBT的阻塞电压。熔断器总的灭弧时间tt可通过图13中的曲线估算。当G di/dt = 3.57 1010时,曲线图显示380Vtt = 27µs。但实际电压为236V。通过线性内插法,在0 – 380V之间,196V时:

 

         因此         tt = 22 10-6 s

 

熔断器的峰值允通电流ic是: 

           

 

 

9        结论

 

即使在很差的工作条件下,仍可能找到合适的熔断器以防止IGBT爆炸。通过相关的曲线图可计算出熔断器的总I2t,以便确保其能够提供保护。

 

本文中提出的邻近效应影响系数CPE 无法顾及所有可能的情况,但它们可应对常规设计中遇到的问题,也使初步熔断器选型得以实现。