【導(dǎo)讀】高速熔斷器作為保護半導(dǎo)體的器件,通過其本體的電流可能是直流,也可能是交流,或者是脈沖電流,因此計算等效工作電流是熔斷器選型的第一步驟。
高速熔斷器額定電流計算
1. 工作負(fù)載電流IAL的計算
高速熔斷器作為保護半導(dǎo)體的器件,通過其本體的電流可能是直流,也可能是交流,或者是脈沖電流,因此計算等效工作電流是熔斷器選型的第一步驟。
電流計算相對而言比較簡單,主要考慮I與t積分,因此可以借鑒普通保險絲里面浪涌的積分公式。
公式為:
2. 高速熔斷器額定電流IN計算
高速熔斷器額定電流的計算涉及因素比較多,通過不同參數(shù)的修正來確定熔斷器電流的適用性。
公式為:
其中,
FAT為環(huán)境溫度修正系數(shù)
環(huán)境溫度是熔斷器周邊的空氣溫度Ta,高速熔斷器工作溫度范圍為-50°C~125°C,規(guī)格定義的測試條件Tstd通常為25°C,因此環(huán)境溫度修正系數(shù)FAT為:
FFC為強制冷卻修正系數(shù)
功率器件由于結(jié)點溫度通常在150~175°C,超過結(jié)點溫度會導(dǎo)致半導(dǎo)體過熱失效,因此對于發(fā)熱量比較大的應(yīng)用,通常會加強制冷卻。強制冷卻分為空氣冷卻與液體冷卻,是比較常用的散熱方式, 下圖為強制空氣冷卻修正曲線,橫坐標(biāo)為空氣速度,縱坐標(biāo)為修正系數(shù),自然風(fēng)冷空氣流速為0m/s,作為基準(zhǔn)系數(shù)1。
FWR為配線連接系數(shù)
高速熔斷器通過線纜或匯流排連接,可以起到電流傳輸?shù)淖饔?,同時可以輔助散熱,其尺寸的大小直接影響到熔斷器端子的溫升,同時制約著熔斷器的載流能力。高速熔斷器的額定電流是根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC6026904中推薦的導(dǎo)體尺寸,所使用的銅導(dǎo)體電流密度應(yīng)在1A/mm2~1.6A/mm2之間,為便于計算,100%參考值設(shè)定為1.3A/mm2,小于該電流密度參考值的需要疊加降額系數(shù),曲線如下。
FHZ為頻率修正系數(shù)
當(dāng)熔斷器工作于高頻狀態(tài)時,交變磁場會時電流匯聚于熔體的表面,即趨膚效應(yīng)或臨近效應(yīng),此現(xiàn)象會引起熱阻的增大從而導(dǎo)致熱量增加,熔斷器溫升更高,此時熔斷器要進行相應(yīng)降額使用,下圖為頻率修正系數(shù)作為參考,對于低頻60Hz以下,修正系數(shù)為1。
FSS為開關(guān)修正系數(shù)
電氣設(shè)備在通常情況下都會需要開關(guān)或啟停的操作,有些電氣設(shè)備或加軟啟來限制回路當(dāng)中的浪涌電流,有些設(shè)備沒有添加,而浪涌能量過大會引起熔斷器的老化,影響使用壽命,因此這里給出開關(guān)頻率修正系數(shù)作為參考,這個與普通保險絲浪涌壽命計算有些類似,都是開關(guān)次數(shù)的問題。
FAL為海拔高度修正系數(shù)
海拔高度超過2000m時,由于熔斷器內(nèi)部的對流與輻射引起的散熱減少,其載流能力就需要相應(yīng)降額,一般行業(yè)慣例是超過2000m,沒上升100m,電流降額0.5%,因此降額公式為:
因此掌握了各個參數(shù)對于電流的影響,就可以計算出所需的熔斷器額定電流,這對于高速熔斷器正確選型很有幫助。熔斷器額定電流與電壓確定下來之后就可以挑選滿足指標(biāo)的熔斷器產(chǎn)品系列,確定好產(chǎn)品系列后,需要通過規(guī)格定義的參數(shù)來折算該熔斷器是否能夠起到保護半導(dǎo)體的作用,而參數(shù)的折算在上一篇文章半導(dǎo)體保險絲已經(jīng)給出,這里把曲線換算復(fù)制過來作為參考(需要完整的參數(shù)解析可以參考上一篇文章),從而得到完整的熔斷器選型與驗證過程。
峰值允通電流曲線
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,往上拉到200A斜線交叉B點,再往左拉到限流斜線交叉點C,從C往下拉到與橫坐標(biāo)交叉點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,電弧電壓達到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)估熔斷器在不同實際工況電壓下能達到的熔斷能力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。
功率損耗修正系數(shù)曲線
從熔斷器設(shè)計的角度來說,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,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,此時阻抗為滿載狀態(tài)下的86%。
高速熔斷器作為唯一可以保護半導(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,相對而言是計算選型比較復(fù)雜的熔斷器,本篇文章通過熔斷器周邊因素來計算符合要求的熔斷器額定電流,通過額定電流與電壓來初步選定符合要求的高速熔斷器系列,再通過熔斷器規(guī)格定義的參數(shù)曲線反向驗證熔斷器能否起到保護半導(dǎo)體的作用,簡而言之就是計算與驗證結(jié)合的方式來選定最優(yōu)產(chǎn)品,可以作為研發(fā)的半導(dǎo)體保險絲選型參考。
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