【導讀】zaigezhongyingyongzhong，xitongxiaolvhegonglvmidubuduantigao
，zhedaozhilegenggaodezhiliuxitongdianya。raner

，chuantongdedianlubaohujiejuefanganbuzuyizaibaochigaokekaoxingheanquanxingdetongshiyouxiaobaohuzhexiegaoyapeidianxitong。

zaigezhongyingyongzhong
，xitongxiaolvhegonglvmidubuduantigao
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固態斷路器 （SSCB） 和電熔斷器具有眾多優點，尤其是低允許通過電流和能量，因此現在正在集成到設計中。本文基於近在 PCIM 2024 博覽會和會議上的演講，探討了 SSCB 作為傳統解決方案的卓越替代方案的優勢。

此外，基於碳化矽的固態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。

固態解決方案的優勢

高壓配電係統通常從電網
、儲能係統 （ESS） huokezaishengnengyuandenglaiyuanjieshoudianli。zhexiexitongtongchangbaokuodianlidianzizhuanhuanqi
，keyouxiaodijiangshurugonglvzhuanhuanweiwendingdezhiliuzongxiandianya，yongyuxiayoufuzai。zhexiexitongzhongdebuxianfanweicongjimidaojigonglibudeng，yinrulejishengxianhezongxiandiangan，zhehuiyingxiangdianlubaohuqijiandexingneng。

gutaijiejuefangantigongkuaisuxiangyingshijian，youyuchuantongdejiechuqihejidianqi，chuantongjiechuqihejidianqizaifuzaiduankaiqijianyouyuxitongganyingyinqidedianhuercunzaikekaoxingwenti。dianhuhuishijiechuqizujiantuihua，congerxianzhusuoduanqishiyongshouming。

圖 1 顯示了在負載下斷開 400 V 直流係統相關的電弧時間。固態解決方案可以在微秒內中斷高短路電流，比傳統解決方案中產生小電弧所需的短時間（圖 1 所示情況下為 4 ms）快得多。

圖 1：400 V 直流斷開後的電弧形成

在高壓應用中，安全至關重要。例如，在使用高壓鋰電池（如 ESS 和 EV）的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)
，放(fang)電(dian)和(he)電(dian)弧(hu)會(hui)帶(dai)來(lai)重(zhong)大(da)的(de)安(an)全(quan)風(feng)險(xian)。這(zhe)些(xie)會(hui)觸(chu)發(fa)熱(re)失(shi)控(kong)事(shi)件(jian)
，這(zhe)些(xie)事(shi)件(jian)是(shi)危(wei)險(xian)的(de)
，而(er)且(qie)可(ke)能(neng)是(shi)災(zai)難(nan)性(xing)的(de)。快(kuai)速(su)響(xiang)應(ying)電(dian)路(lu)中(zhong)斷(duan)裝(zhuang)置(zhi)可(ke)以(yi)將(jiang)短(duan)路(lu)電(dian)流(liu)限(xian)製(zhi)在(zai)幾(ji)百(bai)安(an)培(pei)，大(da)大(da)降(jiang)低(di)維(wei)持(chi)電(dian)弧(hu)閃(shan)光(guang)事(shi)件(jian)所(suo)需(xu)的(de)高(gao)電(dian)弧(hu)電(dian)流(liu)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)係(xi)統(tong)安(an)全(quan)性(xing)。

測試設置

為了評估短路性能
，已經建立了一個合適的電路（有關詳細信息
，請參閱參考資料）。它由高壓直流電源、線路阻抗網絡、總線阻抗網絡、被測設備 （DUT） 和機電繼電器組成。這些組件模擬直流電源和下遊配電係統之間的阻抗。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算為 113.4 J。

DUT 可在傳統保險絲和 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 DUT 配備典型保險絲時，繼電器觸點閉合以提供短路連接。當 DUT 是 E-Fuse 板時，繼電器被旁路，因為它被激活以使用通過本地互連網絡 （LIN） 傳輸的串行命令造成短路。

該研究在模擬高壓直流係統中比較了這兩種類型的設備。該實驗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

使用帶有傳統 20 A 快速熔斷保險絲的測試裝置，短路測試結果（圖 2）顯示清除時間為 276 μs，總線峰值電流為 3,590 A。電容完全放電，導致線路和總線電壓節點上出現負電壓（總線電壓降至 –110 V），這是由於測試前電源斷開造成的偽影。峰值功率達到 963 kW，能量為 85.4 J。

對傳統 20 A 快速熔斷器進行的短路測試結果。

圖 2：對傳統 20 A 快速熔斷器進行的短路測試結果

使用 MPLAB Mindi 模擬仿真器開發的基於 SPICE 的de模mo型xing對dui測ce試shi電dian路lu進jin行xing了le仿fang真zhen。該gai模mo型xing與yu物wu理li係xi統tong緊jin密mi結jie合he，可ke以yi評ping估gu線xian路lu電dian感gan對dui總zong線xian電dian壓ya驟zhou降jiang持chi續xu時shi間jian和he量liang的de影ying響xiang。仿fang真zhen結jie果guo表biao明ming，隨sui著zhe線xian路lu電dian感gan的de增zeng加jia，總zong線xian電dian壓ya下xia降jiang更geng明ming顯xian，從cong而er影ying響xiang係xi統tong穩wen定ding性xing。

E-Fuse 測試和仿真

Microchip 輔助 E-Fuse 演示板（400 V、30 A 型號）在 0.8 μH 和 5 μH 的總線電感下進行了測試。該板如圖 3 所示
，具有兩個並聯的 15 mΩ 700 V SiC MOSFET。

圖 3：Microchip 的 E-Fuse 板和原理圖

需要注意的是
，E-Fuse banyuzhuanweixingshiyongershejidechuantongbaoxiansibutong，keyizaijiancedaoguodianliuhoufuwei。zhetigonglejigeyoushi
，lirunenggouzaiduogegongzuotiaojianxiafenxihemiaoshudangeshebei。

該板包括一個工作電壓為 12 V 的低壓區，該低壓區是電氣隔離的，並將偏置電源傳輸到高壓區中的監視器
、控製和驅動電路。跳閘曲線可以使用 LIN 進行調整，它由一個基於硬件的短路監視器組成
，該監視器可配置為 33 A 的電流閾值分辨率。

測試結果顯示清除時間分別為 672 μs 和 6.3 μs，峰值總線電流為 216 A 和 287 A。總線電壓驟降，表明 E-Fuse 的有效電流中斷。

具有不同過流閾值的進一步測試表明

，峰值允許電流範圍為 45 A 至 287 A
，大多數測量的總線電壓驟降低於 1 V，峰值功率為 20 kW 至 129 kW，允許通過能量為 28 mJ 至 406 mJ。

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

調查表明
，SSCB 是一種比傳統保險絲更有效的解決方案。與保險絲和接觸器不同
，SSCB 利用半導體以電子方式中斷電流。這消除了電弧並提供更快的響應時間，從而限製了故障事件期間流動的電流量。

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