基于SiC的熔丝保护高压电气系统
Microchip Technology Inc.
高功率解决方案业务部
资深顾问级应用工程师
Ehab Tarmoom
在减少排放和实现净零目标的前进道路上，碳化硅技术将在可持续发展应用中发挥关键作用。这些应用可以通过在系统中添加电力电子器件（例如电机驱动器）或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电气系统，对电路保护的需求至关重要。维修或更换组件的成本可能很高，因此设计人员正在实施更强大的电路保护方法。仅限于保护线路的电路中断装置对于敏感的电子负载已不再足够。电子电路中断解决方案（例如电子熔丝）可以保护线路并限制传输到故障负载的短路允通电流和能量，从而可以防止负载自身损坏。
传统电路保护装置的局限性
传统熔丝是一次性元件，在清除故障后需要更换。因此，熔丝规定仅在持续高电流下熔断。这可以保护系统中的线路，但无法保护敏感负载，并可能导致系统级停机。熔丝会随着时间的推移而老化，从而严重影响其性能，例如，熔丝会变得更加敏感，这会增加误跳闸的风险；或者变得不那么敏感，需要更高的电流才能跳闸。由于熔丝是可更换元件，因此在带有熔丝的系统中，可维护性设计至关重要。从维护的角度来看，熔丝的可维护性至关重要，但这会对系统的长期可靠性产生不利影响。受保护电路和熔丝盒之间需要熔丝、熔丝座和额外的线路。熔丝盒通常包含面板、紧固件和用于环境保护的垫圈。在高压系统中，通常会采用联锁回路，以便在熔丝面板打开时切断系统电源。这些额外的可维护组件各自都存在故障风险，从而进一步缩短了熔丝的使用寿命。此外，在高压系统中，只有经过培训的合格人员才能更换熔丝。
类似地，继电器或接触器控制负载的供电。即使在高电流下，继电器触点上的压降也很小，但在切换到容性负载和中断感性电流时，继电器触点的性能会下降。通常使用由继电器和浪涌电阻组成的预充电电路将下游电容器充电至系统电压的 20V 以内。这可以防止继电器或接触器触点在激活时熔接，并润湿触点，最大限度地减少氧化，否则氧化会导致更高的电阻和功耗。尽管如此，触点在每次激活时仍然会性能下降，这是缩短其使用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直流配电系统在输入和输出端都包含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，触点上的电位差就越大，性能会进一步下降，最终缩短其使用寿命。当继电器或接触器断开时，触点会分离，在输入和输出电路之间形成气隙。但这并不意味着它们没有电连接。很多情况下，当继电器断开时，电流会通过气隙中的电弧继续流动一小段时间。这会进一步降低触点的性能。
高压电子熔断器的系统级优势
熔丝的精度不高、一次性使用的限制以及继电器和接触器不够坚固耐用，这些都是设计师转向电子熔丝（E-Fuse）等电子解决方案的原因。很多时候，可靠性目标是主要原因。更高的精度、集成度、功能性、可复位性和系统正常运行时间是 E-Fuse 的主要优势之一。然而，最主要的驱动力在于它能够显著提高系统可靠性。
E-Fuse是一种可控且可配置的固态电路中断装置。在 400V 和 800V 系统中，碳化硅（SiC）因其高击穿电压额定值、低导通电阻和高热导率而成为最佳的功率半导体技术。电子熔丝可以是单向半导体开关，用于阻断一个方向上的电压和电流，也可以是双向开关，用于阻断两个方向上的电压和电流（例如，电源到负载和负载到电源）。电子熔丝结合了熔丝和机电继电器的功能，并且可能包含负载电流报告等附加功能，从而无需在系统中使用独立的电流传感器。
图1 Microchip 的 E-Fuse 技术演示板
SiC的电子熔丝演示板实现了快速响应时间，将短路电流限制在仅几百安培。借助宽带宽电流检测电路并使用默认设置，它可在 700 纳秒内检测到短路，并在 1 至 6 微秒范围内清除故障（具体取决于系统电感）。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连网络（LIN）配置。TCC 曲线包含三种检测方法：结温估算、基于模数转换器（ADC）的电流采样以及可通过软件配置的硬件检测电路。
图 3 中的检测电路包括一个带有开尔文检测连接的分流电阻器（用于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的快速比较器以及一个置位-复位 （SR）锁存器，以实现快速短路检测和保护。对于不需要立即响应的过载，电流检测信号由单片机的 ADC 和固件处理。该设计包括两种工作模式：边沿触发模式或穿越模式。在边沿触发模式下，超过阈值的过流会触发立即关断。在穿越模式下，过流会立即将SiC MOSFET 栅极驱动至较低电压，以延长其短路耐受时间。如果过流持续时间超过预定义的可配置持续时间，则SiC MOSFET 将关闭，从而中断电路。但是，如果电流降至阈值以下，MOSFET 栅极将被驱动回全栅极驱动。
图2 TCC曲线
图3过流检测和保护实施
卓越的短路保护
图 4 显示了使用传统 30A 和 30A E-Fuse 演示板进行充电电容短路测试时的允通电流。为了证明快速响应时间，E-Fuse 在更恶劣的工作条件下进行了测试，源电感降低了六倍，这导致电流斜坡比熔丝测试中的陡度高六倍。即使在这种情况下，E-Fuse 测试中的短路电流峰值也仅为216A，而熔丝允许的峰值电流为 3.6 kA。E-Fuse 的总故障清除时间为 672 ns，传统熔丝的总故障清除时间为 276 µs。除了快速的故障清除时间允许较低的短路允通 （LT）电流之外，允通能量也比传统熔丝低数百到数千倍。本次测试中，电子熔丝的允通能量为 406 mJ ，而受熔丝保护的电路的允通能量仅为 85J。这种显著的性能差异有望在采用电子熔丝保护的情况下，防止故障负载演变为硬故障。
此外，在熔丝测试中，直流母线电容完全放电。然而，在受电子熔丝保护的电路中，450V 直流母线电压仅下降了 2V，持续时间不到 200 纳秒。这是一个关键优势，因为它允许系统继续运行，而无需担心设备故障导致直流母线电压骤降或下降。在许多系统中，故障可能造成危险或代价高昂的停机，而电子熔丝可提供卓越的电路保护。总结测试结果，电子熔丝清除短路故障的速度提高了 300 倍，允通电流降低了 16 倍，允通能量降低了 200 倍，同时保持了直流母线的稳定。
图4 使用熔丝（顶部）和 E-Fuse（底部）进行短路测试
如上所述，基于SiC的电子熔丝（E-Fuse）具有多项系统级优势，不仅比传统解决方案更有效地保护线路和负载，还能简化系统设计以及保护、控制和传感的集成。随着万物电气化对更高电压、更高效率和更低开关损耗的需求不断增长，对宽带隙半导体的需求也将持续增长。这些应用中的电气系统将受益于电子熔丝解决方案，因为它消除了可维护性设计的限制，并提高了系统正常运行时间、可靠性和安全性。
