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技術(shù)淺談
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作者：Littelfuse客戶經(jīng)理Rambo Liu
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保險(xiǎn)絲選型在之前文章有介紹過，選型主要依據(jù)為工作電流、工作電壓、環(huán)境溫度、浪涌電流以及分?jǐn)嗄芰Γ鄬Χ员容^簡單一些，方法同樣適用于工業(yè)熔斷器。在熔斷器類目中還有一種特殊的產(chǎn)品，叫高速熔斷器，又叫半導(dǎo)體保險(xiǎn)絲，是開發(fā)應(yīng)用于半導(dǎo)體電路過流保護(hù)的器件，具有專門設(shè)計(jì)的元件外形輪廓和主體結(jié)構(gòu)，可以限制回路中的允通能量、峰值電流、電弧電壓等，與普通工業(yè)熔斷器不同，高速熔斷器沒有增加延時(shí)功能，能夠在10ms甚至更短時(shí)間響應(yīng)，從而起到更可靠的保護(hù)。
高速熔斷器又分為全范圍gR高速熔斷器與aR部分范圍高速熔斷器，其中全范圍熔斷器可以對過載與短路起到保護(hù)，而部分范圍熔斷器僅對短路提供保護(hù)。
高速熔斷器結(jié)構(gòu)
高速熔斷器的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)及其尺寸和端接均獨(dú)一無二。這樣做是為了避免將這些熔斷器誤用于本領(lǐng)域的任何其他普通工業(yè)應(yīng)用中。高速熔斷器結(jié)構(gòu)采用高等級材料，下面予以說明。
元件：
高速熔斷器包含一個(gè)或多個(gè)電流敏感元件。每個(gè)元件在一點(diǎn)或多點(diǎn)處橫截面減小。在每個(gè)元件中，減小的橫截面提供被測電阻。每個(gè)元件的電阻和每個(gè)熔斷器中使用的元件數(shù)量通常決定了熔斷器的額定電流。高速熔斷器包含由銀、鍍銀銅、銅或其他合適材料制成的元件。
主體材質(zhì)：
高速熔斷器中使用的最常用主體材料是玻璃增強(qiáng)三聚氰胺和高等級陶瓷。玻璃三聚氰胺堅(jiān)固且防斷裂，而陶瓷具有較高的散熱和耐高溫能力。
安裝端子：
典型的高速熔斷器端子由銅合金材料組成。一些額定電流較小的高速熔斷器由拉制黃銅制成，旨在正確釋放應(yīng)力。這些熔斷器的端子通常也進(jìn)行鍍覆，以減少腐蝕并提供小電阻連接。
填充物材料：
高速熔斷器含有填充物，填充物主要用于消除電流分?jǐn)嗥陂g產(chǎn)生的電弧放電。采用高等級石英硅石晶體填充材料有助于提高熔斷器的限流能力。此外，填充物有助于維持熔斷器內(nèi)的熱量平衡，同時(shí)使元件具有穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定性允許采用較小元件橫截面，從而提高了短路性能。
高速熔斷器產(chǎn)品系列如下
產(chǎn)品電壓范圍從150V到1500V，覆蓋相對比較完整，對于高可靠性要求應(yīng)用比較適用，同時(shí)也能滿足大多數(shù)新能源1000-1500V發(fā)展需求。
熔斷器工作模式
斷器在過流或短路發(fā)生時(shí)內(nèi)部的可熔元件會熔化，此熔體通過設(shè)計(jì)制造薄弱環(huán)節(jié)，當(dāng)電流流過熔體時(shí)會產(chǎn)生熱量，正常工作電流時(shí)會達(dá)到熱平衡，當(dāng)過流或短路發(fā)生時(shí)，發(fā)熱量超過散熱量，導(dǎo)致熔體溫度上升，達(dá)到熔體熔點(diǎn)(銅1085°C，銀962°C)時(shí)，薄弱環(huán)節(jié)開始熔化斷裂，從而切斷電路電流。
在發(fā)生短路時(shí)，熔體熔化分?jǐn)啵藭r(shí)熔體氣化產(chǎn)生電離導(dǎo)通路徑，回路阻抗增加，電路主電壓加到薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生電弧，熔斷器內(nèi)部填充石英砂石用以熄滅電弧，如下為熔斷器保護(hù)動(dòng)作電壓與電流曲線。熔斷器保護(hù)過程可以分為熔化時(shí)間與電弧放電時(shí)間，兩個(gè)時(shí)間之和稱為熔斷時(shí)間。
從上圖可以看到熔化時(shí)間內(nèi)，由于熔體熔化阻抗增加，此時(shí)熔斷器兩端電壓急劇上升，同時(shí)由于熔斷器的限流能力，保證了熔斷器過流小于允通電流峰值。在電弧放電時(shí)間，電弧放電電流由于熔體氣化阻抗增加，電流開始下降，此時(shí)電弧電壓超過回路工作電壓，因此熔斷器的電弧電壓限制也至關(guān)重要，此電壓要小于回路半導(dǎo)體的耐受電壓，在電弧放電結(jié)束后，熔斷器處于分?jǐn)酄顟B(tài)，回路電流清零，電壓為回路工作電壓。
高速熔斷器特性曲線
不同于普通熔斷器，高速熔斷器給出了更多的特性曲線，為半導(dǎo)體產(chǎn)品過流保護(hù)的設(shè)計(jì)提供更多參考，以L70QS系列為例。
·????????時(shí)間電流曲線
時(shí)間電流曲線是普通保險(xiǎn)絲與半導(dǎo)體保險(xiǎn)絲都會給出的參考曲線，其中橫坐標(biāo)為故障電流，縱坐標(biāo)為熔化時(shí)間，旨在給出故障電流狀態(tài)下熔斷器起到保護(hù)所需的時(shí)間，作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與選型參考。
另外從曲線可以看出，L70QS屬于部分保護(hù)半導(dǎo)體保險(xiǎn)絲，在低倍過載時(shí)采用虛線表示，以125A產(chǎn)品為例，如下紅色區(qū)域?yàn)椴话踩珔^(qū)域，在小過電流情況下應(yīng)用高速熔斷器時(shí)存在很大熱風(fēng)險(xiǎn)，因此不建議在此虛線區(qū)內(nèi)進(jìn)行操作。
·????????溫度降額曲線
溫度降額曲線是比較典型的參數(shù)，在普通工業(yè)熔斷器與高速熔斷器規(guī)格里面都會給出參考，由于工作環(huán)境溫度的變化，其保持熱平衡的承載電流能力也隨之變化，隨著環(huán)境溫度的降低，其帶載能力提升，反之，環(huán)境溫度上升，電流要有一定的降額。
·??????? 峰值允通電流曲線
峰值允通電流表示在故障狀態(tài)下，完全熔斷期間通過熔斷器的最大電流，表示熔斷器的限流能力，下圖非常直觀給出熔化時(shí)間、電弧放電時(shí)間電流變化過程，可見沒有熔斷器的話，其峰值電流降非常大，灰色陰影部分為無限流時(shí)的能量。
峰值允通電流曲線的使用方法如下圖所示，采用上下回折的方式查看，以200A規(guī)格為例，假設(shè)回路當(dāng)中故障電流為20kA，對應(yīng)橫坐標(biāo)A點(diǎn)，往上拉到200A斜線交叉B點(diǎn)，再往左拉到限流斜線交叉點(diǎn)C，從C往下拉到與橫坐標(biāo)交叉點(diǎn)D為2400A，因此在故障電流20kA下，200A熔斷器允通電流降至2400A，將近10倍的限流能力能夠更好保護(hù)后級半導(dǎo)體器件。從曲線也可以看出，允通電流并不是一個(gè)固定值，隨著故障電流的增加，允通電流會相應(yīng)增大。
·????????電弧電壓曲線
電弧電壓是在熔斷器電弧放電時(shí)施加在其本體上的瞬間電壓，影響峰值電弧電壓的因數(shù)包括額定電壓與功率因數(shù)，在電弧放電過程中產(chǎn)生的電弧電壓將以串聯(lián)的形式與回路工作電壓疊加，此電壓超過工作電壓，最終施加到回路當(dāng)中半導(dǎo)體開關(guān)器件，因此電弧電壓的限制對于半導(dǎo)體保護(hù)至關(guān)重要。
電弧電壓曲線橫坐標(biāo)為工作電壓，縱坐標(biāo)為電弧電壓，從下圖可以看出，對于200A熔斷器，在工作電壓500V時(shí)，電弧電壓達(dá)到1100V，因此半導(dǎo)體要選用1200V及以上較為合適。
·??????? 完全熔斷I2t修正系數(shù)曲線
作為高速熔斷器，完全熔斷I2t值需小于半導(dǎo)體所能承受的最大I2t值，才能起到可靠保護(hù)作用。完全熔斷I2t修正系數(shù)曲線的目的在于對小于額定工作電壓的工況下，提供修正系數(shù)，從而為其熔斷能力I2t提供參考，從曲線可以看出，隨著工作電壓降低，其熔斷能力I2t相應(yīng)下降，此系數(shù)可以預(yù)估熔斷器在不同實(shí)際工況電壓下能達(dá)到的熔斷能力I2t值，從而確保半導(dǎo)體在各種電壓狀態(tài)下都能得到可靠保護(hù)。
·??????? 功率損耗修正系數(shù)曲線
從熔斷器設(shè)計(jì)的角度來說，通常會選擇電流降額來保證其長期可靠性，70%左右降額相對比較通用一些，另外熔斷器損耗在正常工況下等效于電阻，考慮其設(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，對于不同工作電流下，熔斷器整體電阻會有變化，從降額曲線也可以看出，在電流減小時(shí)，其功率損耗值降幅要比電流降幅大，例如在額定電流80%，對應(yīng)功耗為55%，從功耗為I2R公式來看，也從側(cè)面反映了工作電流下降會帶來阻值的下降，此時(shí)阻抗為滿載狀態(tài)下的86%。
高速熔斷器作為唯一可以保護(hù)半導(dǎo)體的熔斷器，其工作特性方方面面都要考慮到半導(dǎo)體的耐受能力，相對而言是計(jì)算選型比較復(fù)雜的熔斷器，掌握了規(guī)格書給出的工作曲線也就掌握了一大半的高速熔斷器選型方法，看似簡單的一個(gè)過流保護(hù)器件，其中也暗藏了諸多門道。
參考來源：Littelfuse Power Speed Technical Application Guide
