Metso D200175 碳化硅基电熔丝与传统熔丝的现代比较分析

碳化硅技术将在可持续发展应用中发挥关键作用，因为我们共同制定了减少排放和实现净零排放目标的前进道路。这些应用可以通过在系统中添加电力电子器件来实现，例如电机驱动，或者增强现有系统中的电力电子器件，以达到更高的电压并提高效率。随着越来越多的应用集成到电气系统中，电路保护是必不可少的。

　　维修或更换元件的成本可能很高，因此设计人员正在实施更鲁棒的电路保护方法。限于保护线路的断路装置不再能满足敏感电子负载的需要。电子电路中断解决方案，例如电子保险丝保护接线并限制传递到故障负载的短路电流和能量，这可以防止负载损坏自身。

　　传统电路保护装置的局限性

　　传统的保险丝是一次性使用的设备，在清除故障后需要更换。因此，保险丝只能在持续的高电流下熔断。这可以保护系统中的线路，但是不能保护敏感负载，并且可能导致系统级停机。引信会随着时间的推移而退化，从而严重影响其性能;例如，保险丝变得更加敏感，这增加了有害跳闸的风险，或者保险丝变得不太敏感，需要更高的电流来跳闸。在装有保险丝的系统中，可维护性的设计非常重要，因为保险丝是可更换的设备。从服务的角度来看，接近保险丝是必要的，但对系统的长期可靠性有不利影响。受保护电路和保险丝盒之间需要保险丝、保险丝座和额外的接线。隔间通常包括面板、紧固件和用于环境保护的垫圈。在高压系统中，当保险丝面板打开时，通常实施联锁回路来切断系统电源。这些额外的组件实现了可维护性，每个组件都有可能出现故障，从而进一步缩短使用寿命。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。

　　类似地，继电器或接触器控制负载的供电。即使在高电流下，继电器的触点上也有很小的压降，但是当切换到容性负载和中断感性电流时，继电器的性能会下降。由继电器和浪涌电阻组成的预充电电路通常用于将下游电容充电至系统电压的20V以内。这防止继电器或接触器触点在激活时焊接关闭，并润湿触点以使氧化最小化，否则氧化会导致更高的电阻和功耗。尽管如此，触点仍然随着每次激活而退化，这是减少其寿命的长期磨损机制之一。许多使用带容性负载的接触器或继电器的DC配电系统在输入和输出端包括一个高精度电压测量电路，以确保满足电压差条件。电压测量的误差越大，触点间的电位差就越高，从而进一步降低其寿命。当继电器或接触器断开时，触点分离，在输入和输出电路之间形成气隙。然而，这并不意味着它们没有电连接。在许多情况下，当继电器打开时，电流通过电弧在空气间隙中持续流动一小段时间。这进一步降低了触点的质量。

　　高压E-Fuse的系统级优势

　　保险丝的不精确性、仅限于一次性使用以及继电器和接触器缺乏耐用性是设计师转向电子解决方案(如E-Fuse)的部分原因。很多时候，可靠性目标是主要原因。E-Fuse的最大优势包括精确度、集成度、功能性、可重置性和系统正常运行时间的提高。然而，主要驱动因素是大幅提高系统可靠性的机会。

　　E-Fuse是一种可控和可配置的固态电路中断设备。在400 V和800 V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。E-Fuse可以是在一个方向上阻断电压和电流的单向半导体开关，或者是在两个方向上阻断电压和电流的双向开关(例如，源到负载和负载到源)。E-Fuse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，从而消除了系统中对独立电流传感器的需求。

　　图一。微芯片的电子保险丝技术演示器。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　如图1中基于微芯片SiC的E-Fuse演示器所实现的快速响应时间，将短路电流限制在仅几百安培。利用宽带宽电流检测电路和默认设置，它可以在700纳秒内检测到短路，并在1至6微秒内清除故障，具体时间取决于系统电感。图2中时间-电流特性(TCC)曲线定义的跳闸行为可通过软件或本地互联网络(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3中的检测电路包括一个具有Kelvin检测连接的分流电阻以提供精确的电压测量，一个具有高增益带宽积的运算放大器，一个具有可配置基准电压的快速比较器，以及一个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，电流检测信号由微控制器的ADC和固件处理。该设计包括两种工作模式: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触发立即关断。在穿越模式下，过电流会立即将SiC MOSFET栅极驱动至较低电压，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，电路中断。然而，如果电流降至阈值以下，MOSFET栅极将被驱动回全栅极驱动。

　　图二。变矩器离合器曲线。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　图3。过流检测和保护实施。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　卓越的短路保护

　　图4显示了使用传统30 A保险丝和30 A电子保险丝演示器进行充电电容短路测试时的允许电流。为了展示快速响应时间，E-Fuse在更恶劣的工作条件下进行了测试，其源电感低六倍，导致电流斜坡比Fuse测试陡六倍。即使在这种条件下，E-Fuse测试中的短路电流峰值也只有216 A，而保险丝允许的峰值电流为3.6 kA。电子保险丝的总故障清除时间为672 ns，传统保险丝为276 s。除了允许低短路通过(lt)电流的快速故障清除时间之外，通过能量比传统保险丝低数百到数千倍。在该测试中，E-Fuse的相应允许通过能量为406 mJ，相比之下，具有由熔丝保护的电路的允许通过能量为85J。这种显著的性能差异有可能防止故障负载在E-Fuse保护下变成硬故障。

　　图4。使用保险丝(顶部)和E-Fuse(底部)进行短路测试。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　此外，在保险丝测试中DC链接电容完全出院了。然而，由于电路受到E-Fuse的保护，450 V DC总线在不到200 ns的时间内仅下降了2V。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会导致DC总线下降或丢失。在许多系统中，故障可能是危险的或导致代价高昂的停机时间，E-Fuse提供了高级别的电路保护。总结测试结果，E-Fuse清除短路故障的速度快300倍，通过电流低16倍，通过能量低200倍，同时保持稳定的DC总线。

　　如上所述，基于SiC的E-Fuse具有多种系统级优势，不仅比传统解决方案更有效地保护布线和负载，还简化了系统设计以及保护、控制和检测的集成。由于电气化需要更高的电压、更高的效率和更低的开关损耗，对宽带隙半导体的需求将持续增长。这些应用中的电气系统受益于E-Fuse解决方案，因为它消除了可维护性限制的设计，增加了系统正常运行时间、可靠性和安全性。