碳化硅电子熔丝如何提升高压系统保护性能,对比传统熔丝与继电器在短路保护中的16倍电流限制与300倍响应优势

2025-09-28 10:31:13 8378次浏览

  

在推动减排和实现净零目标的进程中,碳化硅(SiC)技术正扮演着至关重要的角色。通过在系统中引入电力电子器件(如电机驱动器)或强化现有电力电子系统,众多应用得以实现更高电压运行和效率提升。

随着电气系统集成度的不断提高,电路保护需求变得愈发重要。考虑到维修或更换组件成本日益增加,设计人员正在采用更先进的电路保护方案。传统的仅保护线路的电路中断装置已无法满足敏感电子负载的需求。相比之下,电子电路中断解决方案(如电子熔丝)不仅能保护线路,还能限制传输至故障负载的短路允通电流和能量,有效防止负载自身损坏。

传统电路保护装置的不足

传统熔丝作为一次性元件,在清除故障后需要更换。其设计仅针对持续高电流情况提供保护,虽然能保护系统线路,却无法保护敏感负载,并可能导致系统级停机。

此外,熔丝会随时间老化,导致性能显著变化:可能变得更加敏感而增加误跳闸风险,或变得迟钝而需要更高电流才能触发。由于熔丝需要定期更换,系统的可维护性设计变得尤为关键,但这又会对系统的长期 可靠性产生负面影响。

传统保护方案需要熔丝、熔丝座及额外线路连接保护电路与熔丝盒。熔丝盒通常包含面板、紧固件和密封垫圈等组件。高压系统还需配备联锁回路,在打开熔丝面板时切断电源。这些额外组件各自都存在故障风险,进一步缩短了系统寿命。值得注意的是,高压系统中的熔丝更换必须由专业人员进行。

继电器或接触器同样存在局限性。虽然其触点在高压下压降较小,但在切换容性负载或中断感性电流时性能会下降。常见的预充电电路虽能防止触点熔接和氧化,但每次操作仍会造成触点磨损。许多直流配电系统采用精密电压测量电路来监控触点状态,但测量误差会加速触点劣化。

当继电器断开时,触点间虽形成气隙,但电弧仍可能导致电流短暂持续,进一步影响性能。

高压电子熔断器的系统优势

传统熔丝的精度不足、一次性特性,以及继电器/接触器的耐用性问题,促使设计者转向电子熔丝(E-Fuse)等先进解决方案。可靠性提升是主要考量因素,而E-Fuse在精度、集成度、功能性、可复位性和系统稳定性方面具有显著优势。

E-Fuse作为可控可配置的固  态中断装置,在400V /800V系统中,SiC凭借其高击穿电压、低导通电阻和优异导热性成为理想选择。它既可作为单向开关,也可实现双向保护,兼具熔丝和继电器功能,还能集成电流监测等附加特性。

SiC电子熔丝响应速度极快,能将短路电流限制在数百安培内。配合宽带宽检测电路,可在700纳秒内识别短路,1-6微秒内清除故障。其跳闸特性可通过软件或LIN网络灵活配置。

保护机制包含三种检测方式:结温估算、ADC电流采样和可配置硬件检测。检测电路采用精密分流电阻、高速运算放大器、快速比较器和SR锁存器,确保快速响应。

系统提供两种工作模式:边沿触发模式可立即关断过流;穿越模式则会降低栅极电压延长耐受时间,仅在过流持续超限时才会切断电路。

卓越的短路保护性能

对比测试显示,在相同30A条件下,E-Fuse的短路峰值电流仅为216A(传统熔丝达3.6kA),故障清除时间缩短至672纳秒(传统方案需276微秒)。更值得注意的是,E-Fuse的允通能量低至406mJ,比传统方案的85J提升了200倍。

在实际表现中,E-Fuse保护的直流母线电压仅下降2V且持续时间不足200纳秒,而传统方案会导致电容完全放电。这种稳定性对于关键系统运行至关重要。

综合测试数据表明,电子熔丝在故障清除速度上提升300倍,允通电流降低16倍,允通能量减少200倍,同时保持母线电压稳定。

SiC基电子熔丝不仅提供更优异的线路和负载保护,还能简化系统设计,实现保护、控制和传感的高度集成。随着电气化进程对高压、高效、低损耗需求的增长,宽带隙半导体技术将持续发展。电子熔丝解决方案通过消除可维护性限制,将显著 提升系统稳定性、可靠性和安全性。

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