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(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(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，大電流故障會導(dǎo)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(shù)和電路設(shè)計對于電路總電感影響重大。(Ldi/dt)

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

	圖?1:?常規(guī)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(dǎo)體元件爆炸，甚至在發(fā)生短路時保護半導(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串聯(lián)橋臂同時導(dǎo)電引起短路時阻止電容放電。當一個半導(dǎo)體元件在錯誤的時候被觸發(fā)或損毀，兩個橋臂之間會產(chǎn)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(cè)的id的總和。   由于電感l(wèi)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(jié)合圖5和圖3，或結(jié)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(shù)

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

	?l ?		R

 

參數(shù)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(wèi)。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(tài)結(jié)束時（t_p時），熔斷器內(nèi)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(nèi)的電弧改變了電路的特性。熔斷器弧前狀態(tài)結(jié)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(chǎn)生過壓并放電，這是一個暫態(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)電壓理論上可以達到2E。

實際為：?U_transient?= 1.75 E?

在此峰值情況下，熔斷器內(nèi)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(nèi)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

?

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(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(shù)據(jù)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(yīng)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?yōu)長 +?DL?。（圖8）   DL并不是位于熔斷器內(nèi)部的恒量電感。   法雷結(jié)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?。ㄈ鐖D9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(chǎn)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(zhuǎn)換設(shè)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(tài)下，電流會產(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)會產(chǎn)生表面效應(yīng)，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(yīng)，

其表面效應(yīng)的深度在5kHz時為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)：

	均流與頻率和熔斷器同其他導(dǎo)體間距離d有關(guān)（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(nèi)部的鄰近效應(yīng)可以忽略不計。鄰近效應(yīng)比表面效應(yīng)對熔斷器的影響更大。 表面效應(yīng)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(shù)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(tài)，修正系數(shù)CPE?如表1所示。 表1所示數(shù)據(jù)并不精確，因為其沒有考慮多少個熔芯并聯(lián)的情況，也沒有考慮距離d的影響，但其已足夠應(yīng)對熔斷器選型。

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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：

表?2 –?直流側(cè)配備熔斷器				?	表?3 –?臂上配備熔斷器
開關(guān)頻率?(?赫茲?)			總的CPE		開關(guān)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(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，熔斷器在低頻時受影響更為嚴重，然后高頻時熔斷器表現(xiàn)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?！?.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)的時間為：t₂? = 55 μs，相應(yīng)的i²t為35 000 A2S

爆炸發(fā)生的時間為：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(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

直流回路中的兩個熔斷器（圖4）：?通過熔斷器的電流為130 A

• IGBT數(shù)據(jù)：

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(huán)境溫度：50°C

自然風(fēng)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(fā)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(shù)據(jù))

8.2.????????????熔斷器額定電流的選擇

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使用到的修正系數(shù)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。

?

8.3.????????????熔斷器的運作時間和i2t?的計算

可通過故障發(fā)生時di/dt的最大值計算弧前時間t_p：

結(jié)果還要乘以圖12中的針對不同熔斷器額定電流的系數(shù)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(shù)關(guān)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(jié)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(lián)運作?；∏皶r間為?t_p?= 14 10^-6?s，并且可確認兩個熔斷器均勻地分擔(dān)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(shù)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(nèi)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(jié)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(guān)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(yīng)影響系數(shù)C_PE?無法顧及所有可能的情況，但它們可應(yīng)對常規(guī)設(shè)計中遇到的問題，也使初步熔斷器選型得以實現(xiàn)。