超快速熔断器对IGBT的有效保护

超快速熔断器对IGBT的有效保护1、概述超快速熔断器在大电流情况下能保护门极关断（GTO）晶闸管的结面。目前在各领域保护着大量GTO逆变器。由于绝缘门极双极晶体管（IGBT）的I2t非常低，一般的快速熔断器根本无法保护其结面。和其他半导体设备一样，短路大电流故障会导致GTO及其元件内部的能量急剧增大，导致IGBT发生爆炸。然而，大量电力试验证明IGBT的爆炸I2t是可以确定的，超快速熔断器有能力防止IGBT爆炸。此外大量试验测试了熔断器对电路电感量的影响，以及高频情况下熔断器的载流能力。可以说熔断器技术和电路设计对于电路总电感影响重大。(Ldi/dt)通过适当的特性曲线和数据进行熔断器选型以保护逆变器是非常必要的。图1:常规的强制换向逆变器2、超快速熔断器的用途由于电感比L大的多，所以当熔断器熔断时，电流id和ic比小到可以忽略不计。3、熔断器的安装位置有三种可能1、逆变器桥臂上放置熔断器（图3）：2、逆变器直流回路上放置熔断器（图4）：熔断器电流额定值是桥臂上熔断器额定值的1.732倍3、直流馈线上熔断器的位置（图5）:在电容（或其它种类的直流电源）和整流器之间。也可以结合图5和图3或结合图5和图4的方式安装熔断器在逆变器回路的用途是防止半导体元件爆炸，甚至在发生短路时有效保护半导体元件的结面。对于图2显示的电路，熔断器的主要作用是在两个串联桥臂同时导电引起短路时阻止电容放电。当一个半导体元件被错误被触发或损毁，两个桥臂之间会产生短路。由于L电感量很低，di/dt就会很高，因此熔断器会迅速动作。短路电流为电容放电的ic和来自电源侧的id的总和。图3图4图54.熔断器选型的主要参数当IGBT或GTO元件损坏，电容支路会发生短路，熔断器会如图6显示对电路进行保护。图6:电容放电E直流电源的电压值u电容的瞬时电压ic电容输出的瞬时故障电流id直流电源输出的瞬时故障电流L电容放电电路的总电感量（直流电源和电容之间的电感量）R电容放电电路的电阻值4.1.选择熔断器的条件l电感L对于此类逆变器，电容和提供直流电压的整流器之间有电感。通常比L大的多。在大部分情况下，电容放电的首个半周期，来自整流器的id可以忽略不计。以下情况可足以证实id可忽略不计。l电阻R电阻值R（包括熔断器的电阻值）通常低到允许电容放电振荡。振荡条件为：R=为了简化熔断器选型计算，R的条件被定义如下：R=通过R和L的条件，振荡频率T可用以下简化公式计算得出。故障电流I和电压u：更大的R电阻值是可以接受的，但简化公式和在本文中提及的简单熔断器选择方法不再完全被接受，因为此时振荡波形不再近似于正弦波。然而，电脑和模拟软件可针对任何短路情况做出精确的计算分析。l电容电压u尽管电压u在振荡，但这并不意味着熔断器在交流电压下工作。熔断器弧前状态结束时（tp时），熔断器内部开始起弧。同时，电容两端电压不再振荡（熔断器不再为低阻抗）。熔断器内的电弧改变了电路的特性。熔断器弧前状态结束时，电容两端的电压为：由于熔断器在直流电压下起弧，所以有必要明确允许熔断器起弧的最大电压UPM。该电压值也是熔断器的特性之一，必须符合以下条件：UPUPMl直流电压E在灭弧之后，电源会使电容两端产生过压并放电，这是一个暂态现象，峰值暂态电压为UTRANSIENT。该暂态电压比初始电压E高很多（图7）。假设电路没有电阻，并且电容已经充分放电，最大暂态电压理论上可以达到2E。图7:电容两端电压实际为：Utransient=1.75E在此峰值情况下，熔断器内部会再次起弧。因此，初始的电源电压E必须小于等于最大值EM。EM是熔断器的另一特性。选择熔断器时必须检查以下条件：E≤EMl弧前时间tp由于Utransient取决于熔断器弧前时间内电容两端电压降，因此弧前时间tp不能太长。当E=EM时，其推荐值为：tp=T/6注意1:当tp=T/6，电容两端电压为：Up=E/2；然后，最大电容两端的最大瞬时峰值电压约为1.6E。注意2:显然，当直流电压E远小于被选熔断器的EM时，以上这些条件并不重要。l振荡周期T:T作为参考条件，其目的在于限制电容两端电压达到最大的时间长度。如果此条件不能满足，要切断故障就几乎等于要切断由电池供电的直流电路，所有计算也会有所不同。T的期望值应为：T=10ms.4.2.熔断器的必要信息4.1阐述了所有的注释和条件。熔断器制造商必须给各种熔断器产品确定这些相应的参数值，诸如EM和UPM，以及特定的曲线图，使得用户可以计算tp、总的I²t和电弧电压Um等值。请参阅图12、13、14和15。在表格中（图12），参数G和有关，并可以此计算弧前时间和总的动作时间。§8中的例子阐明了如何运用这些数据和曲线图。5、熔断器电感量电感L的值主要取决于线路形状和长度。当熔断器被应用到电路中时，其改变了线路的形状和长度。因此，整个线路的电感L变为L+L。（图8）L并不是位于熔断器内部的恒量电感。结合图11显示的线路测量了多种熔断器的L。法雷针对线路配备熔断器和不配备熔断器的情况，在线路闭合后测试了di/dt。不配备熔断器Withoutfusedi/dt=E/L配备熔断器Withfusedi/dt=E/(L+L)在测量过程中，熔断器取代了铜母排，最大程度确保线路长度不变。当熔断器形状为扁平时，其L非常小（如图9所示）。例：L=10nH-50毫米长的扁平熔断器。L=35nH-300毫米长的扁平熔断器。小结1：IGBT为大型电力元件，其爆炸会直接影响到人身和财产安全，为了保护电力IGBT元件防止其爆炸，熔断器必须能够最高承受7.2千伏高压，其熔断极限i²t也必须小于IGBT的爆炸i²t。因此采用超快速熔断器是一种保护IGBT电力转换设备的安全可靠的重要元件。6、高频影响6.1.对熔断器的影响在高频状态下，电流会产生两种现象：表面效应和临近效应。A、表面效应：熔断器熔片会产生表面效应，尽管其厚度小于0.5mm，因为电流密度在熔芯带上分布不均（图10）；熔片深处没有表面效应，其表面效应的深度在5kHz时为0.95mm。表面效应主要出现在导电接触部位。l表面效应危害要小得多，但当频率超过1000赫兹，其影响不能忽略l高频带来的其他问题还有磁性部件的磁滞损耗引起的过热问题。这就是为什么当频率超过1000赫兹时，PROTISTOR熔断器不使用磁性部件。6.2修正系数CPE对熔断器额定电流的影响当主电流处于高频状态，修正系数CPE如表1所示。表1所示数据并不精确，因为其没有考虑多少个熔芯并联的情况，也没有考虑距离d的影响，但其已足够应对熔断器选型。然而，对于大部分应用，仅有谐波为高频成份，熔断器电流为：i=i0+i1+i2+..+iKi0为电流主要部分：大多数情况，直流电流或50Hz电流..；i1,i2…..iK是显著的谐波。熔断器的电流有效值为：熔断器额定电流的计算可等效为：(也就是CPE的全程值为：)各谐波的CPEK是以上表格显示的各谐波频率的函数。可通过IEQ和所有经典的修正参数计算出熔断器额定电流IN：（A1为温度系数，C1为连接方式系数，A’2为交变电流情况下的老化系数）尽管谐波往往不能得以确定，但有必要根据IGBT的开关频率估算CPE。根据表2可估算：B、邻近效应：均流与频率和熔断器同其他导体间距离d有关（距离d越短，均流越不差）。当d200mm，并且频率低于20000赫兹，熔断器内部的邻近效应可以忽略不计。邻近效应比表面效应对熔断器的影响更大。频率(赫兹)CPE100至5000.95501至15000.901501至50000.805001至100000.7010001至200000.60表2–直流侧配备熔断器表3–臂上配备熔断器开关频率(赫兹)总的CPE开关频率(赫兹)总的CPE100至5001100至5001501至15000.95501至15000.901501至50000.901501至50000.855001至100000.855001至100000.8010001至200000.8010001至200000.75注意：该系数可应用到总电流的有效值的估算上，也就是：因此，可通过IEQ和所有经典的修正参数计算出熔断器额定电流IN：6.3.IGBT开关频率的影响IGBT元件在任何频率下都不能在额定电流下工作。事实上，具有高额定电压和电流的IGBT元件比小额定规格产品对频率更为敏感，电流等级降得更快。IGBT和熔断器的比较显示，熔断器在低频时受影响更为严重，然后高频时熔断器表现更好，尤其是频率高于10kHz时。7、75AIGBT的爆炸对不同IGBT元件在配备或不配备熔断器的情况下进行测试。§7.1.,§7.2.and§7.3显示了使用1200V75AIGBT元件的测试结果。7.1.不配备熔断器的测试1200V75AIGBT的测试结果为：连接处熔断的时间为：t1=35µs，相应的i2t为12700A²S最大峰值电流出现的时间为：t2=55µs，相应的i2t为35000A²S爆炸发生的时间为：t3=66µs，相应的i2t为48800A²S7.2.IGBT串联315A熔断器的测试测试结果，熔断器的总I²t为27500A²S，IGBT观察不到外部损伤。7.3.IBGT串联400A熔断器的测试测试结果，熔断器的总I²t为37000A²S，IGBT的外壳可看到一些损伤（变形、开裂）。结论2：所有以上测试显示，熔断器可保护1200V75A的IGBT。用于熔断器选型的外壳炸裂I²t可取值为30000A²S。8、采用IGBT的PWM逆变器保护实例8.1.规格•电路参数：E=600V最大值R=10-3(包括所选熔断器的内阻).L=2.210-7HC=210-3F=10-4H直流回路中的两个熔断器（图4）：通过熔断器的电流为130A•IGBT数据：5kHz时的额定电流（有效值）：75AFERRAZSHAWMUT的实测爆炸i²t（详见§7）：30000A²S（而非连接处的熔断I²t=12700A²S）阻塞电压：1200V逆变器的工作条件：IGBT的工作频率：5kHz-75A有效值，环境温度：50°C，自然风冷。没有配备熔断器时，电容放电的电路特性：周期T=132µs，最大峰值电流Imax=53200A，首个最大峰值电流的发生时间tm=32µs66µs首个半波的i²t：93300A²S，远大于IGBT的连接处的熔断i²t.可选择PSC690VURD系列的熔断器，因为EM=900V(见图12、13、14和15的熔断器数据)8.2.熔断器额定电流的选择：使用到的修正系数为：=.894C1=0,85；A3=0,80；CPE=0,9熔断器的额定电流IN应选为238A8.3.熔断器的运作时间和i²t的计算可通过故障发生时di/dt的最大值计算弧前时间tp：结果还要乘以图12中的针对不同熔断器额定电流的系数G。以315A熔断器为例：图13中0V的曲线图显示了弧前时间tp对Gdi/dt函数关系。因此，弧前时间为：tp=1410-6stpT/6可得以验证，因为T/6=2210-6s.当tp=14µs，UP的计算结果为：图12PM=600V，条件UPUPM可因此得以验证。两个熔断器将串联运作。弧前时间为tp=1410-6s，并且可确认两个熔断器均匀地分担电压。因此，可在熔断器运作在471/2=236V时，计算出总的i²t。总的I²t等于列表（图12）中给出的弧前I²t乘以修正系数k（图14中的曲线图）。曲线图显示Up=236V时K=1.4，250A熔断器的弧前I²t为5800A²S。熔断器的总I²t为5800*1.4=8120A²S(大大低于IGBT所允许的30000A2s)总i²t=8120A²S图15所示的曲线图显示Um=630V。该值低于IGBT的阻塞电压。熔断器总的灭弧时间tt可通过图13中的曲线估算。当Gdi/dt=3.571010时，曲线图显示380V时tt=27µs。但实际电压为236V。通过线性内插法，在0–380V之间，196V时：因此tt=2210-6s熔断器的峰值允通电流ic是：9结论即使在很差的工作条件下