Предохранители для полупроводников: защита класса aR для диодов, тиристоров и IGBT

Полупроводники питания — диоды, тиристоры (SCR) и IGBT — имеют очень малую тепловую массу по сравнению с кабелями, двигателями или трансформаторами. Ток короткого замыкания, который кабель выдерживает в течение 100 миллисекунд, разрушит полупроводниковый прибор менее чем за1 миллисекунду. Стандартные промышленные предохранители слишком медленны для защиты полупроводников.

Предохранители для полупроводников— классифицируемые какaRпо IEC 60269-4 (также называемые «быстродействующими предохранителями» или «предохранителями для выпрямителей») — разработаны именно для этого применения. У них очень малые значения I²t, очень быстрое время размыкания и подтверждённая отключающая способность на постоянном токе для применения в цепях выпрямления и инвертирования.

В этой статье объясняется, как работают предохранители aR, где они применяются и как согласовать их с допустимым I²t конкретных полупроводниковых приборов.

Что означает «aR»

По IEC 60269-4 классы предохранителей обозначаются двумя буквами:

• Первая буква (a, g):
• a= частичный диапазон (предохранитель не обязан отключать малые сверхтоки; в зоне малых перегрузок полагается на защиту вышестоящего устройства)
• g= полный диапазон (предохранитель отключает все сверхтоки от минимального тока плавления до отключающей способности)

• Вторая буква (R, M и т. д.):
• R= защита полупроводников (цепи выпрямителей)
• M= защита двигателей
• B= горнодобывающая промышленность
• Tr= трансформатор

Таким образом,aR= «частичный диапазон, защита полупроводников». Обозначение «частичный диапазон» означает, что предохранитель предназначен для отключения коротких замыканий и больших сверхтоков, но не малых перегрузок — обычно диапазон перегрузок берёт на себя скоординированное вышестоящее устройство (автоматический выключатель или предохранитель большего тока).

Это соответствует поведению полупроводников: полупроводниковый прибор, испытывающий устойчивую перегрузку, выходит из строя от перегрева, а не от самого сверхтока, поэтому предохранителю не нужно отключать малые перегрузки. Ему достаточно быстро реагировать на короткие замыкания и тяжёлые сверхтоки.

Почему полупроводникам нужны особые предохранители

Кремниевый диод или тиристор имеет тепловую ёмкость перехода, измеряемую в миллиджоулях. Модуль IGBT на 1000 А может выдержать I²t величиной 100 000 А²с в течение 10 мс — но лишь 10 000 А²с в течение 1 мс и 1 000 А²с в течение 100 мкс. Предохранитель должен разомкнуться до того, как будет превышен тепловой предел полупроводника.

Стандартные промышленные предохранители (класс J, класс RK1) имеют значения I²t в 10–100 раз выше, чем у предохранителей для полупроводников при том же токе. Они не могут защитить полупроводники от повреждения при коротном замыкании — они просто слишком медленные.

В предохранителях для полупроводников применяются:

• элементы из чистого серебра(не из сплавов меди или олова) ради низкой температуры плавления и предсказуемого поведения
• высокочистый кварцевый песок в качестве наполнителядля быстрого гашения дуги
• элементы суженного сечениякоторые заставляют дугу распадаться на несколько узких путей, повышая напряжение дуги и ускоряя прохождение тока через нуль
• короткие внутренние соединениядля снижения паразитной индуктивности

Эти конструктивные решения дают предохранители с очень малым I²t и очень быстрым размыканием (доли миллисекунды при больших токах).

Типичные серии aR

Bussmann выпускает несколько семейств предохранителей для полупроводников:

Серия	Напряжение	Ток	Формат корпуса	Применение
FWH	500 В AC / 500 В DC	1–1600 А	Цилиндрический или ножевой	Преобразователи постоянного тока низкого напряжения, UPS
FWJ	600 В AC / 1000 В DC	50–2000 А	Ножевой или с выводами-лепестками	Солнечная ФЭС, зарядка электромобилей, батарейные системы 1000 В
FWP	700–1000 В DC	35–1600 А	Цилиндрический или с выводами-лепестками	Комбинаторные щитки ФЭС, накопление энергии
170M	690–1250 В AC/DC	10–7500 А	Квадратный корпус	Крупные преобразователи, UPS, хранение в батареях
170H	690–1000 В AC/DC	10–1600 А	Квадратный корпус с механическим индикатором срабатывания	Высоконадёжные промышленные преобразователи

Каждая серия имеет немного различающиеся номиналы напряжения, тока и AIC в зависимости от конкретного применения.

Применение предохранителей aR

Преобразователи частоты (VFD)

У VFD три точки защиты:

1. Вход (сторона выпрямителя): предохранитель aR между линией AC и выпрямительным мостом. Защищает диоды выпрямителя от повреждения при коротком замыкании шины постоянного тока.

1. Шина постоянного тока: предохранитель aR между конденсаторами шины постоянного тока и инвертором на IGBT. Взаимно защищает IGBT и конденсаторы друг от друга при отказе.

1. Выход (сторона двигателя): часто предохранитель не применяется, потому что кабель и двигатель имеют больший допустимый I²t, чем IGBT. Выходные предохранители иногда добавляют для защиты от коротких замыканий при длинных кабелях к двигателю.

Для VFD мощностью 100 л. с. (75 кВт) при 480 В трифазно:

• Ток входа: 125 А
• Предохранитель входа: серия FWH 200 А (500 В AC, 200 кА AIC)
• Напряжение шины постоянного тока: 700 В DC
• Предохранитель шины постоянного тока: серия FWP 250 А (700 В DC, 100 кА AIC)

Комбинаторные щитки и инверторы солнечной ФЭС

В системах ФЭС предохранители aR применяются в двух местах:

1. Комбинатор цепей: каждая цепь ФЭС имеет предохранитель, который изолирует её при пробое на короткое замыкание. Типично: 15–30 А, 1000 В DC, серия FWP.

1. Вход постоянного тока инвертора: предохранитель на шине постоянного тока перед входной ступенью инвертора. Типично: 100–400 А, 1000 В DC, серии FWP или FWJ.

Напряжение постоянного тока (до 1500 В в современных системах ФЭС на 1500 В) требует предохранителей с подтверждённым номиналом 1500 В DC. Только определённые серии (например, Bussmann FWP 1500 В) имеют такие номиналы.

Системы накопления энергии в батареях (BESS)

Цепи литий-ионных батарей работают при 400–1500 В DC и могут отдавать огромные токи короткого замыкания. Каждый батарейный стеллаж или цепь требует:

• предохранитель aR с номиналом постоянного токана выходе батареи
• AIC выше максимального тока короткого замыкания батареи (обычно 20–50 кА для крупных цепей)
• быстрое размыкание для предотвращения теплового разгона

Для BESS ёмкостью 1 МВт·ч при 1000 В DC:

• Ток продолжительного режима: 1000 А
• Номинал предохранителя: серия FWJ 1200–1400 А (1000 В DC, 100 кА AIC)

Источники бесперебойного питания (UPS)

В системах UPS предохранители aR применяются для:

• предохранителя батареи: защищает UPS от короткого замыкания в батарее. Критически важен для безопасности.
• предохранителя входа инвертора: защищает инверторную ступень на IGBT от отказов шины постоянного тока.

Быстрая зарядка электромобилей

Быстрые зарядные устройства постоянного тока (подробно описаны в нашей статье о зарядке электромобилей) применяют предохранители aR на шине постоянного тока и на выходе, обычно серии FWJ на 1000 В DC.

Индукционный нагрев и сварка

Промышленные индукционные нагреватели и сварочные аппараты используют тиристоры (SCR) при больших токах. Предохранители aR защищают SCR от коротких замыканий в индукционной катушке или сварочном трансформаторе.

Согласование предохранителей для полупроводников с допустимым I²t приборов

Правило согласования то же, что и для промышленных предохранителей, но с более жёсткими запасами:

Допустимый для полупроводникового прибора I²t ≥ I²t полного отключения предохранителя для полупроводников

Множитель 0,8 (а не 1,0) учитывает:

• Номинал I²t прибора может быть консервативным
• фактический ток короткого замыкания может отличаться от расчётного
• I предохранителя²t меняется в зависимости от тока и напряжения

Большинство технических описаний полупроводников содержаткривые согласования, показывающие безопасную область работы для конкретных пар предохранитель–прибор. Пользуйтесь этими кривыми, а не ручным расчётом I²t, когда они доступны.

Форматы корпуса предохранителей aR

Предохранители для полупроводников выпускаются в нескольких физических исполнениях:

• Цилиндрический корпусПредохранители для полупроводников выпускаются в нескольких физических исполнениях:
• Цилиндрический корпус: 10×38 мм, 14×51 мм, 22×58 мм — для токов примерно до 100 А
• Ножевой (прямоугольный корпус с ножевыми выводами): 30–2000 А — обычен для FWH и FWJ
• Квадратный корпус (винтовые выводы-лепестки): 200–7500 А — для крупных преобразователей и батарейных систем

Цилиндрический с торцевыми крышками

: 50–1600 А — для компактных применений с большим током

Держатель или крепление должно соответствовать формату корпуса. Многие предохранители для полупроводников применяют винтовые соединения, а не пружинные контакты, ради лучших электрических и тепловых характеристик при больших токах.Микросекунды против миллисекунд: почему важна скоростьпри том же кратном токе. Это десятикратное различие в скорости — разница между защищённым и разрушенным полупроводником.

Для короткого замыкания 1000 А через предохранитель 200 А:

• Предохранитель класса J: размыкается за 5 мс → I²t ≈ 1000²× 0,005 = 5 000 000 А²с
• Предохранитель aR: размыкается за 0,5 мс → I²t ≈ 1000²× 0,0005 = 500 000 А²с

Предохранитель aR пропускает в 10 раз меньше энергии — это вполне в пределах того, что выдерживает полупроводник.

Механические индикаторы срабатывания

Многие предохранители для полупроводников (особенно серии 170M и 170H) имеютмеханический индикатор— небольшой штифт, выдвигающийся из корпуса предохранителя при расплавлении элемента. Механический индикатор можно подключить к:

• механический индикатор
• — небольшой штифт, выдвигающийся из корпуса предохранителя при расплавлении элемента. Механический индикатор можно подключить к:
• визуальному индикатору (светодиоду на панели)

цепи сигнализации (включает сирену или отправляет уведомление)

Часто задаваемые вопросы

Можно ли использовать предохранитель класса J вместо предохранителя для полупроводников?Только если допустимый I²t нижестоящего прибора достаточно велик, чтобы выдержать более медленное размыкание класса J. Для диодов, тиристоров и IGBT это практически никогда не выполняется.

Почему предохранители для полупроводников так дороги?Серебряный элемент, кварцевый наполнитель, прецизионная конструкция и испытания с подтверждением обходятся дороже, чем стандартные промышленные предохранители. Наценка оправдана стоимостью защищаемого оборудования.

Нужен ли предохранитель на входе AC преобразователя, если в нём есть внутренние предохранители?Внутренние предохранители преобразователя обычно рассчитаны только на I²t выпрямителя. Внешний вышестоящий предохранитель меньшего номинала даёт лучшее согласование с вышестоящим трансформатором и ограничивает энергию, проходящую через выпрямитель при крупном аварийном режиме.

Чем отличаются предохранители aR от gR?aR — частичный диапазон (только короткое замыкание). gR — полный диапазон (перегрузка и короткое замыкание). Предохранители gR применяют, когда перегрузки вышестоящей защитой не покрыты; aR — когда такая защита есть.

Где купить предохранители для полупроводников

FuseStock имеет в наличии полную линейку предохранителей Bussmann для полупроводников — FWH, FWJ, FWP, 170M, 170H — для применений в преобразователях, UPS, солнечной ФЭС, зарядке электромобилей и хранении в батареях. Все предохранители поставляются с полными данными по I²t, AIC и кривым время-ток.

Для поддержки по согласованию полупроводников пришлите артикул вашего преобразователя или инвертора, и мы подберём подходящий предохранитель aR и проверим согласование I²t по опубликованному допустимому значению прибора.

---