各種應(yīng)用中不斷提高系統(tǒng)效率和功率密度的趨勢(shì)導(dǎo)致了更高的直流系統(tǒng)電壓。然而，傳統(tǒng)的電路保護(hù)解決方案不足以有效保護(hù)這些高壓配電系統(tǒng)，同時(shí)保持高可靠性和安全性。

固態(tài)斷路器 (SSCB) 和電熔斷器由于其眾多優(yōu)點(diǎn)，特別是低允通電流和能量，現(xiàn)已被集成到設(shè)計(jì)中。此外，基于碳化硅的固態(tài)解決方案與直流熔斷器的比較表明，允通電流和能量顯著降低，電弧和電弧閃光的危險(xiǎn)也減少。

固態(tài)解決方案的優(yōu)點(diǎn)

高壓配電系統(tǒng)通常從電網(wǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng) (ESS)或可再生能源等來(lái)源接收電力。這些系統(tǒng)通常包括電力電子轉(zhuǎn)換器，可有效地將輸入功率轉(zhuǎn)換為下游負(fù)載的穩(wěn)壓直流總線(xiàn)電壓。這些系統(tǒng)中的布線(xiàn)范圍從幾米到幾千米，會(huì)引入寄生線(xiàn)路和總線(xiàn)電感，從而影響電路保護(hù)器件的性能。

固態(tài)解決方案提供了優(yōu)于傳統(tǒng)接觸器和繼電器的快速響應(yīng)時(shí)間，傳統(tǒng)接觸器和繼電器由于負(fù)載斷開(kāi)期間系統(tǒng)電感引起的電弧而存在可靠性問(wèn)題。電弧會(huì)降低接觸器部件的性能，從而顯著縮短其使用壽命。

圖 1 顯示了在負(fù)載下斷開(kāi) 400V 直流系統(tǒng)相關(guān)的飛弧時(shí)間。固態(tài)解決方案可以在微秒內(nèi)中斷高短路電流，比傳統(tǒng)解決方案中形成小電弧所需的最短時(shí)間快得多( 4 ms，如圖 1 所示的情況)。

圖 1：400V DC 斷開(kāi)后電弧形成

在高壓應(yīng)用中，安全至關(guān)重要。例如，在使用高壓鋰電池的系統(tǒng)(例如 ESS 和EV)中，放電和電弧會(huì)帶來(lái)重大的安全風(fēng)險(xiǎn)。這些可能會(huì)引發(fā)熱失控事件，這是危險(xiǎn)的并且可能是災(zāi)難性的。快速響應(yīng)電路中斷裝置可以將短路電流限制在幾百安培，大大減少維持電弧閃光事件所需的高電弧電流，從而增強(qiáng)系統(tǒng)安全性。

測(cè)試設(shè)置

為了評(píng)估短路性能，設(shè)置了適當(dāng)?shù)碾娐?更多詳細(xì)信息請(qǐng)參閱參考資料)。它由高壓直流電源、線(xiàn)路阻抗網(wǎng)絡(luò)、總線(xiàn)阻抗網(wǎng)絡(luò)、被測(cè)設(shè)備(DUT)和機(jī)電繼電器組成。這些組件模擬直流電源和下游配電系統(tǒng)之間的阻抗。高壓差分電壓探頭和羅氏線(xiàn)圈分別測(cè)量線(xiàn)路電壓、母線(xiàn)電壓和短路電流。測(cè)試電路中存儲(chǔ)的能量經(jīng)計(jì)算為 113.4 J。

DUT 可在傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲和 SSCB 原型之間互換。

一旦電容器 C LINE和 C BUS在測(cè)試開(kāi)始時(shí)充電至 450 V，就從測(cè)試電路上拔下直流電源。當(dāng) DUT 配備典型的保險(xiǎn)絲時(shí)，繼電器觸點(diǎn)閉合以提供短路連接。當(dāng) DUT 是 E-Fuse 板時(shí)，繼電器會(huì)被繞過(guò)，因?yàn)槭褂猛ㄟ^(guò)本地互連網(wǎng)絡(luò) (LIN) 傳輸?shù)拇忻罴せ罾^電器以創(chuàng)建短路。

該研究在模擬高壓直流系統(tǒng)中比較了這兩種類(lèi)型的設(shè)備。該實(shí)驗(yàn)測(cè)量了模擬故障期間的清除時(shí)間、峰值電流、電壓暫降和允通能量等因素。

保險(xiǎn)絲測(cè)試與模擬

使用帶有傳統(tǒng) 20A 快速熔斷保險(xiǎn)絲的測(cè)試設(shè)置，短路測(cè)試結(jié)果(圖 2)顯示清除時(shí)間為 276 μs，峰值總線(xiàn)電流為 3,590 A。電容完全放電，產(chǎn)生負(fù)電壓(總線(xiàn)電壓降至 –110 V)線(xiàn)路和總線(xiàn)電壓節(jié)點(diǎn)上，這是由于測(cè)試前電源斷開(kāi)造成的偽影。峰值功率達(dá)到963kW，能量為85.4J。

圖 2：對(duì)傳統(tǒng) 20A 快速熔斷器進(jìn)行的短路測(cè)試結(jié)果

使用 MPLAB Mindi 模擬模擬器開(kāi)發(fā)的基于 SPICE 的模型對(duì)測(cè)試電路進(jìn)行了仿真。該模型與物理系統(tǒng)緊密結(jié)合，可以評(píng)估線(xiàn)路電感對(duì)總線(xiàn)電壓暫降持續(xù)時(shí)間和量的影響。仿真結(jié)果表明，隨著線(xiàn)路電感的增加，母線(xiàn)電壓下降更加明顯，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

E-Fuse測(cè)試和模擬

Microchip輔助 E-Fuse 演示板采用 400V、30A 型號(hào)，使用 0.8 μH 和 5 μH 的總線(xiàn)電感進(jìn)行了測(cè)試。如圖 3 所示，該板具有兩個(gè)并聯(lián)的15mΩ 700V SiC MOSFET 。

值得注意的是，E-Fuse 板與設(shè)計(jì)為一次性使用的傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲不同，可以在檢測(cè)到過(guò)流后重置。這提供了多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，例如能夠在多種操作條件下分析和描述單個(gè)設(shè)備。

該板包含一個(gè)工作電壓為 12V 的低壓區(qū)域，該區(qū)域是電氣隔離的，并向高壓區(qū)域中的監(jiān)控、控制和驅(qū)動(dòng)電路傳輸偏置電源。跳閘曲線(xiàn)可使用 LIN 進(jìn)行調(diào)整，并由基于硬件的短路監(jiān)視器組成，可配置為 33 A 的電流閾值分辨率。

測(cè)試結(jié)果顯示，清除時(shí)間分別為 672 μs 和 6.3 μs，峰值總線(xiàn)電流分別為 216 A 和 287 A。總線(xiàn)電壓跌落最小，表明 E-Fuse 能夠有效中斷電流。

使用不同過(guò)流閾值進(jìn)行的進(jìn)一步測(cè)試顯示，峰值允通電流范圍為 45 A 至 287 A，大多數(shù)測(cè)量中總線(xiàn)電壓跌落至 1 V 以下，峰值功率為 20 kW 至 129 kW，允通能量為 28 mJ 至 406 mJ。

與傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲相比，E-Fuse表現(xiàn)出卓越的性能，峰值電流和能量顯著降低，提高了安全性和可靠性。

調(diào)查表明 SSCB 是比傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲更有效的解決方案。與保險(xiǎn)絲和接觸器不同，SSCB 利用半導(dǎo)體以電子方式中斷電流。這消除了電弧并提供了更快的響應(yīng)時(shí)間，限制了故障事件期間流過(guò)的電流量。