法國法雷FERRAZ SHAWMUT在大功率電源保護(hù)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(hù)門極關(guān)斷（GTO）晶閘管的結(jié)面。法國法雷（FERRAZ SHAWMUT）的熔斷器目前在各領(lǐng)域保護(hù)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(hù)其結(jié)面。

和其他半導(dǎo)體設(shè)備一樣，由于其元件內(nèi)部的能量急劇增大，大電流故障會(huì)導(dǎo)致IGBT爆炸。然而，大量電力試驗(yàn)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(yàn)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(shù)和電路設(shè)計(jì)對于電路總電感影響重大。(Ldi/dt)

通過適當(dāng)?shù)奶匦郧€和數(shù)據(jù)進(jìn)行熔斷器選型以保護(hù)逆變器是非常必要的。

1. 熔斷器的用途

熔斷器的用途是防止半導(dǎo)體元件爆炸，甚至在發(fā)生短路時(shí)保護(hù)半導(dǎo)體元件的結(jié)面。對于圖2顯示的電路，熔斷器的主要作用是在兩個(gè)串聯(lián)橋臂同時(shí)導(dǎo)電引起短路時(shí)阻止電容放電。當(dāng)一個(gè)半導(dǎo)體元件在錯(cuò)誤的時(shí)候被觸發(fā)或損毀，兩個(gè)橋臂之間會(huì)產(chǎn)生短路。

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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(jié)合圖5和圖3，或結(jié)合圖5和圖4

4. 熔斷器選型的主要參數(shù)

當(dāng)IGBT或GTO元件損壞，電容支路會(huì)發(fā)生短路，熔斷器會(huì)如圖6顯示對電路進(jìn)行保護(hù)。

參數(shù)定義：

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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(wèi)。l通常比L大的多。在大部分情況下，電容放電的首個(gè)半周期，來自整流器的i_d可以忽略不計(jì)。以下情況可足以證實(shí)i_d可忽略不計(jì)：

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(jì)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(jì)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?yàn)榇藭r(shí)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(jì)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(tài)結(jié)束時(shí)（t_p時(shí)），熔斷器內(nèi)部開始起弧。同時(shí)，電容兩端電壓不再振蕩（熔斷器不再為低阻抗）。熔斷器內(nèi)的電弧改變了電路的特性。熔斷器弧前狀態(tài)結(jié)束時(shí)，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(huì)使電容兩端產(chǎn)生過壓并放電，這是一個(gè)暫態(tài)現(xiàn)象，峰值暫態(tài)電壓為U_TRANSIENT。該暫態(tài)電壓比初始電壓E高很多（圖7）。假設(shè)電路沒有電阻，并且電容已經(jīng)充分放電，最大暫態(tài)電壓理論上可以達(dá)到2E。

實(shí)際為：?U_transient?= 1.75 E?

在此峰值情況下，熔斷器內(nèi)部會(huì)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(shí)必須檢查以下條件：

E??￡? E_M

• 弧前時(shí)間t_p?

由于U_transient取決于熔斷器弧前時(shí)間內(nèi)電容兩端電壓降，因此弧前時(shí)間t_p不能太長。當(dāng)E = E_M時(shí)，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(dāng)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(shí)峰值電壓約為1.6E。

注意?2:??顯然，當(dāng)直流電壓E遠(yuǎn)小于被選熔斷器的E_M時(shí)，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(dá)到最大的時(shí)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(jì)算也會(huì)有所不同。T的期望值應(yīng)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(chǎn)品確定這些相應(yīng)的參數(shù)值，諸如E_M和U_PM，以及特定的曲線圖，使得用戶可以計(jì)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(shù)G和有關(guān)，并可以此計(jì)算弧前時(shí)間和總的動(dòng)作時(shí)間。§ 8中的例子闡明了如果運(yùn)用這些數(shù)據(jù)和曲線圖。

1. 熔斷器電感量

1. 高頻影響

6.1.????????????對熔斷器的影響

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在高頻狀態(tài)下，電流會(huì)產(chǎn)生兩種現(xiàn)象：

表面效應(yīng)和臨近效應(yīng)。

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• 表面效應(yīng)：

熔斷器熔芯內(nèi)會(huì)產(chǎn)生表面效應(yīng)，盡管其厚度小于0.5mm，因?yàn)?/p>

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(yīng)，

其表面效應(yīng)的深度在5kHz時(shí)為0.95mm。表面效應(yīng)主要出現(xiàn)在導(dǎo)電接觸的部位。

• 鄰近效應(yīng)：

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(dāng)頻率超過1000赫茲時(shí)，PROTISTOR熔斷器不使用磁性部件。

6.2.????????????修正系數(shù)C_PE?對熔斷器額定電流的影響

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然而，對于大部分應(yīng)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(shù)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(jì)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(shù)。

可通過I_EQ和所有經(jīng)典的修正參數(shù)計(jì)算出熔斷器額定電流I_N：

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

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

注意：該系數(shù)可應(yīng)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(jīng)典的修正參數(shù)計(jì)算出熔斷器額定電流I_N?：

6.3.??????????????IGBT開關(guān)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(shí)上，具有高額定電壓和電流的IGBT元件比小額定規(guī)格產(chǎn)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(shí)受影響更為嚴(yán)重，然后高頻時(shí)熔斷器表現(xiàn)更好，尤其是頻率高于10kHz時(shí)。

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(jìn)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(jié)果。

7.1.????????????不配備熔斷器的測試

配備1200 V? 75 A? IGBT的測試結(jié)果為：

連接處熔斷的時(shí)間為：t₁?= 35 μs，相應(yīng)的i²t為12 700 A2S

最大峰值電流出現(xiàn)的時(shí)間為：t₂? = 55 μs，相應(yīng)的i²t為35 000 A2S

爆炸發(fā)生的時(shí)間為：t₃? = 66 μs，相應(yīng)的i²t為48 800 A2S

7.2.????????????IGBT串聯(lián)315A熔斷器的測試

測試結(jié)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(lián)400A熔斷器的測試

測試結(jié)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(jié)論

所有以上測試顯示，熔斷器可保護(hù)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(hù)實(shí)例

8.1.????????????規(guī)格

• 電路參數(shù)：

E = 600V?最大值

R = 10^-3?W?(包括所選熔斷器的內(nèi)阻).

L = 2.2 10^-7?H

C = 2 10^-3?F

l?= 10^-4?H

直流回路中的兩個(gè)熔斷器（圖4）：?通過熔斷器的電流為130 A

• IGBT數(shù)據(jù)：

5kHz時(shí)的額定電流（有效值）：75 A

FERRAZ SHAWMUT的實(shí)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(huán)境溫度：50°C

自然風(fēng)冷

• 沒有配備熔斷器時(shí)，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(gè)最大峰值電流的發(fā)生時(shí)間?t_m?= 32 μs

66μs首個(gè)半波的i2t：93 300 A2S

遠(yuǎn)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?yàn)?/strong>E_M?= 900V? (見圖12、13、14和15的熔斷器數(shù)據(jù))