Tradycyjny bezpiecznik jest jednorazowego użytku i wymaga wymiany po usunięciu usterki. W związku z tym bezpieczniki są zaprojektowane tak, aby przepalały się tylko przy długotrwałym, wysokim prądzie przeciążenia lub zwarciu. Może to chronić okablowanie w systemie, ale nie chroni wrażliwych odbiorników i może skutkować przestojem na poziomie całego systemu. Bezpieczniki z czasem ulegają degradacji, co znacząco wpływa na ich funkcjonalność, na przykład stają się bardziej czułe, co zwiększa ryzyko przypadkowego zadziałania lub nie aktywują się w ogóle. Wymagają też odpowiedniego projektu urządzenia z myślą o łatwości serwisowania i wymiany spalonej wkładki. Dostęp do bezpiecznika jest niezbędny z punktu widzenia serwisu, ale ma negatywny wpływ na długoterminową niezawodność systemu. Bezpiecznik, uchwyt bezpiecznika i dodatkowe okablowanie są wymagane między obwodem chronionym a komorą bezpiecznika. Do tego dochodzi panel, elementy mocujące i uszczelka niezbędna dla ochrony przed czynnikami środowiskowymi. W układach wysokiego napięcia stosuje się ponadto blokady, która odłączają zasilanie po otwarciu panelu bezpiecznika. Każdy z tych dodatkowych elementów, umożliwiających łatwość serwisowania i zapewniających bezpieczeństwo, stwarza ryzyko awarii, co dodatkowo skraca żywotność systemu. Przepisy nakazują ponadto, aby w systemach wysokiego napięcia wymianę bezpiecznika przeprowadzał wyłącznie przeszkolony personel.
Podobnie wygląda sytuacja, gdy do ochrony używany jest przekaźnik lub stycznik sterujący zasilaniem odbiorników. Przekaźnik charakteryzuje się niewielkim spadkiem napięcia na stykach nawet przy wysokich prądach, ale styki ulegają degradacji podczas przełączania obciążeń pojemnościowych i przerywania prądów indukcyjnych. Układy ograniczające prąd rozruchowy, składające się z przekaźnika i rezystora, są często stosowane do ładowania kondensatorów elektrolitycznych. Zapobiega to zespawaniu styków przekaźnika lub stycznika podczas aktywacji. Mimo to styki nadal ulegają degradacji z każdym uruchomieniem, co skraca ich żywotność. Wiele systemów dystrybucji prądu stałego wykorzystujących styczniki lub przekaźniki z obciążeniami pojemnościowymi zawiera układ pomiaru napięcia na wejściu i wyjściu, aby zapewnić spełnienie warunku różnicy napięć. Im większy błąd pomiaru napięcia, tym większa różnica potencjałów na stykach przekaźnika i dalsza degradacja, która ostatecznie skraca żywotność tych elementów. Gdy przekaźnik lub stycznik się wyłącza, styki rozdzielają się, tworząc szczelinę powietrzną między obwodami wejściowymi i wyjściowymi. Nie oznacza to jednak, że nie są one połączone elektrycznie. W wielu przypadkach, gdy przekaźnik się otwiera, prąd nadal płynie przez krótki czas w postaci łuku elektrycznego. To dodatkowo pogarsza stan styków.
Bezpiecznik wysokonapięciowy E-Fuse
Niedokładność aktywacyjna bezpiecznika topikowego i jednorazowość oraz ograniczona wytrzymałość przekaźników to niektóre z powodów, dla których projektanci sięgają po rozwiązania elektroniczne, takie jak E-Fuse. Często głównym powodem są wymagania dotyczące niezawodności. Precyzja, integracja, funkcjonalność, możliwość resetowania i czas długi sprawności systemu należą do najważniejszych zalet E-Fuse. Jednak głównym czynnikiem jest możliwość znacznego zwiększenia niezawodności systemu.
Bezpiecznik E-Fuse to sterowalny i konfigurowalny półprzewodnikowy układ przerywający obwód. W systemach o napięciach pracy 400 i 800 V węglik krzemu (SiC) jest optymalną technologią półprzewodników mocy ze względu na wysokie napięcie przebicia, niską rezystancję w stanie przewodzenia i wysoką przewodność cieplną. Bezpiecznik E-Fuse z SiC może być jednokierunkowym przełącznikiem półprzewodnikowym, który blokuje napięcie i prąd w jednym kierunku, lub przełącznikiem dwukierunkowym, który blokuje napięcie i prąd w obu kierunkach (np. od źródła do obciążenia i od obciążenia do źródła). E-Fuse łączy funkcjonalność bezpiecznika i przekaźnika elektromechanicznego, a także może zawierać dodatkowe funkcje, takie jak raportowanie prądu obciążenia, co eliminuje potrzebę stosowania dodatkowego czujnika prądu w instalacji.
Szybki czas reakcji ogranicza prądy zwarciowe do zaledwie kilkuset amperów. Dzięki szerokopasmowemu układowi pomiaru prądu wykrywa on zwarcie w czasie krótszym niż 700 ns i przerywa obwód w czasie od 1 do 6 μs, w zależności od indukcyjności instalacji. Charakterystyka czasowo-prądowa (TCC) tego elementu przedstawiona na rys. 2 jest konfigurowalna programowo lub za LIN. TCC obejmuje trzy metody detekcji: estymację temperatury złącza, próbkowanie prądu z wykorzystaniem przetwornika analogowo-cyfrowego (ADC) oraz konfigurowalny programowo sprzętowy układ detekcji.
Przedstawiony na rysunku 3 układ detekcji zawiera rezystor bocznikowy z zaciskami pomiarowymi Kelvina, zapewniający precyzyjny pomiar napięcia, wzmacniacz operacyjny o wysokim iloczynie wzmocnienia i szerokości pasma, szybki komparator z konfigurowalnym źródłem odniesienia oraz układ zatrzaskowy, które umożliwiają szybką detekcję i ochronę przed zwarciem. W przypadku przeciążeń niewymagających natychmiastowej reakcji, sygnał pomiaru prądu jest przetwarzany przez przetwornik ADC i oprogramowanie układowe mikrokontrolera. Konstrukcja oferuje dwa tryby pracy: wyzwalany zboczem lub tryb przesterowania. W trybie wyzwalanym zboczem, przekroczenie progu przez przetężenie powoduje natychmiastowe wyłączenie. W trybie przejściowego przetężenie natychmiast obniża napięcie bramki tranzystora MOSFET SiC, wydłużając czas jego wytrzymałości na zwarcie. Jeśli przetężenie utrzymuje się dłużej niż zdefiniowany, konfigurowalny czas, tranzystor MOSFET SiC wyłącza się, przerywając obwód. Jeśli jednak prąd spadnie poniżej progu, MOSFET powraca do pełnego wysterowania.
Doskonała ochrona przed zwarciem
Rysunek 4 przedstawia prąd przepływający w trakcie zwarcia naładowanego kondensatora z tradycyjnym bezpiecznikiem 30 A i bezpiecznikiem E-Fuse 30 A. Aby zademonstrować szybki czas reakcji, test E-fuse przeprowadzono w trudniejszych warunkach pracy z sześciokrotnie niższą indukcyjnością źródła, co skutkuje sześciokrotnie bardziej stromym narastaniem prądu niż było w teście ze zwykłym bezpiecznikiem. Nawet w tych warunkach prąd zwarciowy osiągnął szczytową wartość zaledwie 216 A w teście E-Fuse, podczas gdy bezpiecznik topikowy miał prąd szczytowy 3,6 kA.
Całkowity czas usuwania zwarcia wyniósł 672 ns w przypadku bezpiecznika E-Fuse i 276 μs w przypadku tradycyjnego bezpiecznika. Oprócz szybkiej reakcji zapewniającej niski prąd zwarciowy (LT), energia zdarzenia jest setki do tysięcy razy niższa niż w przypadku tradycyjnego bezpiecznika: dla bezpiecznika E-Fuse wyniosła ona 406 mJ w porównaniu do 85 J w obwodzie chronionym bezpiecznikiem topikowym. Ta drastyczna różnica w wydajności może zapobiec wystąpieniu poważnej awarii lub pożaru.
Dodatkowo, podczas testu bezpiecznika topikowego, pojemność uległa całkowitemu rozładowaniu. Przy zabezpieczeniu obwodu bezpiecznikiem E-Fuse napięcie na szynie DC 450 V spadło zaledwie o 2 V w czasie krótszym niż 200 ns. Jest to kluczowa zaleta, ponieważ pozwala systemom na kontynuowanie pracy bez obawy o awarię urządzenia powodującą zapad lub duży spadek napięcia zasilania. W wielu systemach, w których awarie mogą być niebezpieczne lub skutkować kosztownymi przestojami, bezpiecznik E-Fuse zapewnia wyższy poziom ochrony obwodu. Podsumowując wyniki testu, bezpiecznik E-Fuse usunął zwarcie 300 razy szybciej, generując 16-krotnie niższy prąd i 200-krotnie niższą energię, utrzymując jednocześnie stabilne napięcie na szynie zasilającej DC.
Bezpiecznik E-Fuse na bazie tranzystorów SiC zapewnia szereg korzyści, które nie tylko chronią okablowanie i obciążenia skuteczniej niż tradycyjne rozwiązania topikowe, ale także upraszczają projektowanie systemu oraz integrację zabezpieczeń, sterowania i czujników. Zapotrzebowanie na półprzewodniki szerokopasmowe będzie nadal rosło, ponieważ elektryfikacja wszystkiego wymaga wyższego napięcia, wyższej sprawności i niższych strat przełączania. Bezpieczniki E- Fuse, eliminują w nich ograniczenia związane z łatwością serwisowania i wydłużają czas eksploatacji, niezawodność i bezpieczeństwo systemu.
Ehab Tarmoom Microchip Technology
www.microchip.com
