在各種應(yīng)用中，系統(tǒng)效率和功率密度不斷提高，這導(dǎo)致了更高的直流系統(tǒng)電壓。然而，傳統(tǒng)的電路保護(hù)解決方案不足以在保持高可靠性和安全性的同時有效保護(hù)這些高壓配電系統(tǒng)。

固態(tài)斷路器 （SSCB） 和電熔斷器具有眾多優(yōu)點(diǎn)，尤其是低允許通過電流和能量，因此現(xiàn)在正在集成到設(shè)計(jì)中。本文基于近在 PCIM 2024 博覽會和會議上的演講，探討了 SSCB 作為傳統(tǒng)解決方案的卓越替代方案的優(yōu)勢。

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，允許通過電流和能量顯著降低，電弧和電弧閃光的危險也減少了。

固態(tài)解決方案的優(yōu)勢

高壓配電系統(tǒng)通常從電網(wǎng)、儲能系統(tǒng) （ESS） 或可再生能源等來源接收電力。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)換為穩(wěn)定的直流總線電壓，用于下游負(fù)載。這些系統(tǒng)中的布線范圍從幾米到幾公里不等，引入了寄生線和總線電感，這會影響電路保護(hù)器件的性能。

固態(tài)解決方案提供快速響應(yīng)時間，優(yōu)于傳統(tǒng)的接觸器和繼電器，傳統(tǒng)接觸器和繼電器在負(fù)載斷開期間由于系統(tǒng)感應(yīng)引起的電弧而存在可靠性問題。電弧會使接觸器組件退化，從而顯著縮短其使用壽命。

圖 1 顯示了在負(fù)載下斷開 400 V 直流系統(tǒng)相關(guān)的電弧時間。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)解決方案中產(chǎn)生小電弧所需的短時間（圖 1 所示情況下為 4 ms）快得多。

400 V 直流斷開后形成電弧。

圖 1：400 V 直流斷開后的電弧形成

在高壓應(yīng)用中，安全至關(guān)重要。例如，在使用高壓鋰電池（如 ESS 和 EV）的系統(tǒng)中，放電和電弧會帶來重大的安全風(fēng)險。這些會觸發(fā)熱失控事件，這些事件是危險的，而且可能是災(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，大大降低維持電弧閃光事件所需的高電弧電流，從而提高系統(tǒng)安全性。

測試設(shè)置

為了評估短路性能，已經(jīng)建立了一個合適的電路（有關(guān)詳細(xì)信息，請參閱參考資料）。它由高壓直流電源、線路阻抗網(wǎng)絡(luò)、總線阻抗網(wǎng)絡(luò)、被測設(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圈分別測量線路電壓、總線電壓和短路電流。測試電路中存儲的能量計(jì)算為 113.4 J。

DUT 可在傳統(tǒng)保險絲和 SSCB 原型（Microchip 的輔助 E-Fuse 演示板，簡稱 E-Fuse）之間互換。

一旦電容器 C線和 C總線，在測試開始時已充電至 450 V，將直流電源從測試電路上拔下。當(dāng) DUT 配備典型保險絲時，繼電器觸點(diǎn)閉合以提供短路連接。當(dāng) DUT 是 E-Fuse 板時，繼電器被旁路，因?yàn)樗患せ钜允褂猛ㄟ^本地互連網(wǎng)絡(luò) （LIN） 傳輸?shù)拇忻钤斐啥搪贰?/p>

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

熔斷器測試和模擬

與傳統(tǒng)保險絲相比，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 是一種比傳統(tǒng)保險絲更有效的解決方案。與保險絲和接觸器不同，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更快的響應(yīng)時間，從而限制了故障事件期間流動的電流量。