法國法雷FERRAZ SHAWMUT在大功率電源保護分析

總體介紹

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快速熔斷器在大電流情況下能保護門極關斷（GTO）晶閘管的結面。法國法雷（FERRAZ SHAWMUT）的熔斷器目前在各領域保護著大量GTO逆變器。由于絕緣門極雙極晶體管（IGBT）的I²t非常之低，熔斷器無法保護其結面。

和其他半導體設備一樣，由于其元件內部的能量急劇增大，大電流故障會導致IGBT爆炸。然而，大量電力試驗證明IGBT的爆炸I²t可以確定，快速熔斷器有能力防止IGBT爆炸。

此外，大量試驗測試了熔斷器對電路電感量的影響，以及高頻情況下熔斷器的載流能力。可以說，熔斷器技術和電路設計對于電路總電感影響重大。(Ldi/dt)

通過適當的特性曲線和數據進行熔斷器選型以保護逆變器是非常必要的。

	圖?1:?常規的強制換向逆變器

 

1. 熔斷器的用途

熔斷器的用途是防止半導體元件爆炸，甚至在發生短路時保護半導體元件的結面。對于圖2顯示的電路，熔斷器的主要作用是在兩個串聯橋臂同時導電引起短路時阻止電容放電。當一個半導體元件在錯誤的時候被觸發或損毀，兩個橋臂之間會產生短路。

			由于L電感量很低，di / dt就會很高，因此熔斷器會迅速動作。 ? 短路電流為電容放電的ic和來自電源側的id的總和。   由于電感l比L大的多，所以當熔斷器熔斷時，電流id和ic比小到可以忽略不計。

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1. 熔斷器的位置

3?種可能：

• 逆變器橋臂上放置熔斷器（圖3）：
• 逆變器直流回路上放置熔斷器（圖4）：熔斷器電流額定值是橋臂上熔斷器額定值的1.732倍
• 直流饋線上熔斷器的位置（圖5）:?在電容（或其它種類的直流電源）和整流器之間

也可以結合圖5和圖3，或結合圖5和圖4

			圖?4:?逆變器直流回路上的熔斷器

 

4. 熔斷器選型的主要參數

當IGBT或GTO元件損壞，電容支路會發生短路，熔斷器會如圖6顯示對電路進行保護。

	?l ?		R

 

參數定義：

	E???直流電源的電壓值 u???電容的瞬時電壓 ic??電容輸出的瞬時故障電流 id??直流電源輸出的瞬時故障電流 L???電容放電電路的總電感量 l??直流電源和電容之間的電感量 R???電容放電電路的電阻值
				圖6:?電容放電

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4.1.????????????迅速選擇熔斷器的條件

• 電感?l?:

對于此類逆變器，電容和提供直流電壓的整流器之間有電感l。l通常比L大的多。在大部分情況下，電容放電的首個半周期，來自整流器的i_d可以忽略不計。以下情況可足以證實i_d可忽略不計：

l??3?10 L.

• 電阻?R :

電阻值R（包括熔斷器的電阻值）通常低到允許電容放電振蕩。振蕩條件為：

R?￡

為了簡化熔斷器選型計算，R的條件被定義如下：

R?￡

通過R和l的條件，振蕩頻率T可用以下簡化公式計算得出。故障電流I和電壓u：

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更大的R電阻值是可以接受的，但簡化公式和在本文中提及的簡單熔斷器選擇方法不再完全被接受，因為此時振蕩波形不再近似于正弦波。然而，電腦和模擬軟件可針對任何短路情況做出精確的計算分析。

• 電容電壓u

盡管電壓u在振蕩，但這并不意味著熔斷器在交流電壓下工作。熔斷器弧前狀態結束時（t_p時），熔斷器內部開始起弧。同時，電容兩端電壓不再振蕩（熔斷器不再為低阻抗）。熔斷器內的電弧改變了電路的特性。熔斷器弧前狀態結束時，電容兩端的電壓為：

由于熔斷器在直流電壓下起弧，所以有必要明確允許熔斷器起弧的最大電壓U_PM。該電壓值也是熔斷器的特性之一，必須符合以下條件：

U_P?￡?U_PM

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• 直流電壓E

在滅弧之后，電源會使電容兩端產生過壓并放電，這是一個暫態現象，峰值暫態電壓為U_TRANSIENT。該暫態電壓比初始電壓E高很多（圖7）。假設電路沒有電阻，并且電容已經充分放電，最大暫態電壓理論上可以達到2E。

實際為：?U_transient?= 1.75 E?

在此峰值情況下，熔斷器內部會再次起弧。因此，初始的電源

電壓E必須小于等于最大值E_M。

E_M是熔斷器的另一特性。選擇熔斷器時必須檢查以下條件：

E??￡? E_M

	圖?7:??電容兩端電壓

 

• 弧前時間t_p?

由于U_transient取決于熔斷器弧前時間內電容兩端電壓降，因此弧前時間t_p不能太長。當E = E_M時，其推薦值為：t_p??<? T / 6

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t_p??<? T / 6

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注意1:?當t_p? =? T / 6，電容兩端電壓為：U_p?=?E / 2.

然后，最大電容兩端的最大瞬時峰值電壓約為1.6E。

注意?2:??顯然，當直流電壓E遠小于被選熔斷器的E_M時，以上這些條件并不重要。

• 振蕩周期T:

T作為參考條件，其目的在于限制電容兩端電壓達到最大的時間長度。如果此條件不能滿足，要切斷故障就幾乎等于要切斷由電池供電的直流電路，所有計算也會有所不同。T的期望值應為：

T?￡?10 ms.

4.2.????????????熔斷器的必要信息

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• 4.1闡述了所有的注釋和條件。熔斷器制造商必須給各種熔斷器產品確定這些相應的參數值，諸如E_M和U_PM，以及特定的曲線圖，使得用戶可以計算tp、總的I2t和電弧電壓Um等值。請參閱圖12、13、14和15。

在表格中（圖12），參數G和有關，并可以此計算弧前時間和總的動作時間。§ 8中的例子闡明了如果運用這些數據和曲線圖。

1. 熔斷器電感量

	電感L的值主要取決于線路形狀和長度。當熔斷器被應用到電路中時，其改變了線路的形狀和長度。因此，整個線路的電感L變為L +?DL?。（圖8）   DL并不是位于熔斷器內部的恒量電感。   法雷結合圖11顯示的線路測量了多種熔斷器的DL。法雷針對線路配備熔斷器和不配備熔斷器的情況，在線路閉合后測試了di/dt。   不配備熔斷器Without fuse di / dt = E/L 配備熔斷器With fuse????? di / dt = E/(L+DL)

	在測量過程中，熔斷器取代了銅母排，最大程度確保線路長度不變。當熔斷器形狀為扁平時，其DL?非常小（如圖9所示）。   例：?DL = 10nH? – 50毫米長的扁平熔斷器。   DL = 35nH? – 300毫米長的扁平熔斷器。for a 300 mm long flat fuse.   IGBT為大型電力元件，其爆炸會直接影響到人身和財產安全。   為了保護電力IGBT元件，防止其爆炸，熔斷器必須能夠最高承受7.2千伏高壓，其熔斷極限i2t也必須小于IGBT的爆炸i2t。   超快速熔斷器是一種保護IGBT電力轉換設備的安全而可靠的元件。

 

1. 高頻影響

6.1.????????????對熔斷器的影響

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在高頻狀態下，電流會產生兩種現象：

表面效應和臨近效應。

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• 表面效應：

熔斷器熔芯內會產生表面效應，盡管其厚度小于0.5mm，因為

電流密度在熔芯帶上分布不均（圖10）；熔芯帶深處沒有表面效應，

其表面效應的深度在5kHz時為0.95mm。表面效應主要出現在導電接觸的部位。

• 鄰近效應：

	均流與頻率和熔斷器同其他導體間距離d有關（距離d越短，均流越不差）。 當d > 200mm，并且頻率低于20 000赫茲，熔斷器內部的鄰近效應可以忽略不計。鄰近效應比表面效應對熔斷器的影響更大。 表面效應危害要小得多，但當頻率超過1000赫茲，其影響不能忽略。

 

高頻帶來的其他問題還有磁性部件的磁滯損耗引起的過熱問題。這就是為什么當頻率超過1000赫茲時，PROTISTOR熔斷器不使用磁性部件。

	表?1

 

6.2.????????????修正系數C_PE?對熔斷器額定電流的影響

頻率?(?赫茲?)			CPE
100	至	500	0.95
501	至	1500	0.90
1501	至	5000	0.80
5001	至	10000	0.70
10001	至	20000	0.60

當主電流處于高頻狀態，修正系數CPE?如表1所示。 表1所示數據并不精確，因為其沒有考慮多少個熔芯并聯的情況，也沒有考慮距離d的影響，但其已足夠應對熔斷器選型。

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然而，對于大部分應用，僅有諧波為高頻成份，熔斷器電流為：i= i₀+ i₁+ i₂?+..?+ i_K

2?????????i₀?為電流主要部分：大多數情況，直流電流或50Hz電流..??；

2?????????i₁?,i₂…..?i_K????是顯著的諧波。

熔斷器的電流有效值為：

熔斷器額定電流的計算可等效為：

(也就是C_PE的全程值為：? )

各諧波的C_PEK是以上表格顯示的各諧波頻率的函數。

可通過I_EQ和所有經典的修正參數計算出熔斷器額定電流I_N：

（A₁?為溫度系數，C₁?為連接方式系數，A’₂?為交變電流情況下的老化系數）

盡管諧波往往不能得以確定，但有必要根據IGBT的開關頻率估算C_PE。根據表2可估算：

表?2 –?直流側配備熔斷器				?	表?3 –?臂上配備熔斷器
開關頻率?(?赫茲?)			總的CPE		開關頻率?(?赫茲?)			總的CPE
??100	至	500	1		? 100	至	500	1
501	至	1 500	0.95		501	至	1 500	0.90
1 501	至	5 000	0.90		1 501	至	5 000	0.85
5 001	至	10 000	0.85		5 001	至	10 000	0.80
10 001	至	20 000	0.80		10 001	至	20 000	0.75

注意：該系數可應用到總電流的有效值的估算上，也就是：

因此，可通過I_EQ和所有經典的修正參數計算出熔斷器額定電流I_N?：

6.3.??????????????IGBT開關頻率的影響

IGBT元件在任何頻率下都不能在額定電流下工作。事實上，具有高額定電壓和電流的IGBT元件比小額定規格產品對頻率更為敏感，電流等級降得更快。?IGBT和熔斷器的比較顯示，熔斷器在低頻時受影響更為嚴重，然后高頻時熔斷器表現更好，尤其是頻率高于10kHz時。

1. 75A IGBT的爆炸

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對不同IGBT?元件在配備或不配備熔斷器的情況下進行測試。§7.1., §7.2. and §7.3顯示了使用1200 V 75 A IGBT元件的測試結果。

7.1.????????????不配備熔斷器的測試

配備1200 V? 75 A? IGBT的測試結果為：

連接處熔斷的時間為：t₁?= 35 μs，相應的i²t為12 700 A2S

最大峰值電流出現的時間為：t₂? = 55 μs，相應的i²t為35 000 A2S

爆炸發生的時間為：t₃? = 66 μs，相應的i²t為48 800 A2S

7.2.????????????IGBT串聯315A熔斷器的測試

測試結果，熔斷器的總?I2t為27 500 A2S，IGBT觀察不到外部損傷。

7.3.??????????????IBGT串聯400A熔斷器的測試

測試結果，熔斷器的總I2t為37 000 A2S?，IGBT的外殼可看到一些損傷（變形、開裂）。

7.4.????????????結論

所有以上測試顯示，熔斷器可保護1200 V? 75 A? IGBT。用于熔斷器選型的外殼開裂I2t可取值為30 000 A2S。

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1. 采用IGBT的PWM逆變器保護實例

8.1.????????????規格

• 電路參數：

E = 600V?最大值

R = 10^-3?W?(包括所選熔斷器的內阻).

L = 2.2 10^-7?H

C = 2 10^-3?F

l?= 10^-4?H

直流回路中的兩個熔斷器（圖4）：?通過熔斷器的電流為130 A

• IGBT數據：

5kHz時的額定電流（有效值）：75 A

FERRAZ SHAWMUT的實測爆炸i2t（詳見§7）：30 000 A2S（而非連接處的熔斷?I2t?=?12700 A2S）

阻塞電壓：1200V

• 逆變器的工作條件：

IGBT的工作頻率：5 kHz? – 75 A有效值

環境溫度：50°C

自然風冷

• 沒有配備熔斷器時，電容放電的電路特性：

周期T = 132 μs

最大峰值電流?Imax = 53 200A

首個最大峰值電流的發生時間?t_m?= 32 μs

66μs首個半波的i2t：93 300 A2S

遠大于IGBT的連接處的熔斷?i2t.

可選擇PSC 690 V URD系列的熔斷器，因為E_M?= 900V? (見圖12、13、14和15的熔斷器數據)

8.2.????????????熔斷器額定電流的選擇

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使用到的修正系數為：

?= .894?

C₁?=?0,85

A_3??=?0,80

C_PE?=?0,9

 

熔斷器的額定電流I_N為：

因此，可選擇250A額定電流的熔斷器。

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8.3.????????????熔斷器的運作時間和i2t?的計算

可通過故障發生時di/dt的最大值計算弧前時間t_p：

結果還要乘以圖12中的針對不同熔斷器額定電流的系數G。以315A熔斷器為例：

圖13中0 V的曲線圖顯示了弧前時間t_p?對?G di/dt函數關系。因此，弧前時間為：

t_p?=?14 10^-6?s????????????????????t_p?<?T/6??可得以驗證，因為?T/6 = 22 10^-6s.

當t_p?= 14 μs，U_P的計算結果為：

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圖12

 

U_PM?= 600V，條件U_P??<?U_PM??可因此得以驗證。

兩個熔斷器將串聯運作。弧前時間為?t_p?= 14 10^-6?s，并且可確認兩個熔斷器均勻地分擔電壓。因此，可在熔斷器運作在471 / 2 = 236 V?時，計算出總的i2t?。總的I2t等于列表（圖12）中給出的弧前I2t乘以修正系數k（圖14中的曲線圖）。曲線圖顯示Up = 236 V時K = 1.4，250A熔斷器的弧前I2t為5800 A2S。?熔斷器的總I2t為5800 * 1.4 = 8120 A2S (大大低于IGBT所允許的30000 A2s)

總i2t? = 8120 A2S???

圖15所示的曲線圖顯示U_m?= 630V?。該值低于IGBT的阻塞電壓。熔斷器總的滅弧時間t_t可通過圖13中的曲線估算。當G di/dt = 3.57 10¹⁰時，曲線圖顯示380V時t_t?= 27μs。但實際電壓為236V。通過線性內插法，在0 – 380V之間，196V時：

?????????因此?????????t_t?= 22 10^-6?s

熔斷器的峰值允通電流i_c是：

9????????結論

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即使在很差的工作條件下，仍可能找到合適的熔斷器以防止IGBT爆炸。通過相關的曲線圖可計算出熔斷器的總I²t，以便確保其能夠提供保護。

本文中提出的鄰近效應影響系數C_PE?無法顧及所有可能的情況，但它們可應對常規設計中遇到的問題，也使初步熔斷器選型得以實現。