Microchip Technology Inc.

高功率解決方案業(yè)務(wù)部

資深顧問(wèn)級(jí)應(yīng)用工程師

Ehab Tarmoom

在減少排放和實(shí)現(xiàn)凈零目標(biāo)的前進(jìn)道路上，碳化硅技術(shù)將在可持續(xù)發(fā)展應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用。這些應(yīng)用可以通過(guò)在系統(tǒng)中添加電力電子器件（例如電機(jī)驅(qū)動(dòng)器）或增強(qiáng)現(xiàn)有系統(tǒng)中的電力電子器件以達(dá)到更高的電壓并提高效率。隨著越來(lái)越多的應(yīng)用集成電氣系統(tǒng)，對(duì)電路保護(hù)的需求至關(guān)重要。維修或更換組件的成本可能很高，因此設(shè)計(jì)人員正在實(shí)施更強(qiáng)大的電路保護(hù)方法。僅限于保護(hù)線路的電路中斷裝置對(duì)于敏感的電子負(fù)載已不再足夠。電子電路中斷解決方案（例如電子熔絲）可以保護(hù)線路并限制傳輸?shù)焦收县?fù)載的短路允通電流和能量，從而可以防止負(fù)載自身?yè)p壞。

傳統(tǒng)電路保護(hù)裝置的局限性

傳統(tǒng)熔絲是一次性元件，在清除故障后需要更換。因此，熔絲規(guī)定僅在持續(xù)高電流下熔斷。這可以保護(hù)系統(tǒng)中的線路，但無(wú)法保護(hù)敏感負(fù)載，并可能導(dǎo)致系統(tǒng)級(jí)停機(jī)。熔絲會(huì)隨著時(shí)間的推移而老化，從而嚴(yán)重影響其性能，例如，熔絲會(huì)變得更加敏感，這會(huì)增加誤跳閘的風(fēng)險(xiǎn)；或者變得不那么敏感，需要更高的電流才能跳閘。由于熔絲是可更換元件，因此在帶有熔絲的系統(tǒng)中，可維護(hù)性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。從維護(hù)的角度來(lái)看，熔絲的可維護(hù)性至關(guān)重要，但這會(huì)對(duì)系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性產(chǎn)生不利影響。受保護(hù)電路和熔絲盒之間需要熔絲、熔絲座和額外的線路。熔絲盒通常包含面板、緊固件和用于環(huán)境保護(hù)的墊圈。在高壓系統(tǒng)中，通常會(huì)采用聯(lián)鎖回路，以便在熔絲面板打開(kāi)時(shí)切斷系統(tǒng)電源。這些額外的可維護(hù)組件各自都存在故障風(fēng)險(xiǎn)，從而進(jìn)一步縮短了熔絲的使用壽命。此外，在高壓系統(tǒng)中，只有經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的合格人員才能更換熔絲。

高壓電子熔斷器的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)

熔絲的精度不高、一次性使用的限制以及繼電器和接觸器不夠堅(jiān)固耐用，這些都是設(shè)計(jì)師轉(zhuǎn)向電子熔絲（E-Fuse）等電子解決方案的原因。很多時(shí)候，可靠性目標(biāo)是主要原因。更高的精度、集成度、功能性、可復(fù)位性和系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間是 E-Fuse 的主要優(yōu)勢(shì)之一。然而，最主要的驅(qū)動(dòng)力在于它能夠顯著提高系統(tǒng)可靠性。

E-Fuse是一種可控且可配置的固態(tài)電路中斷裝置。在 400V 和 800V 系統(tǒng)中，碳化硅（SiC）因其高擊穿電壓額定值、低導(dǎo)通電阻和高熱導(dǎo)率而成為最佳的功率半導(dǎo)體技術(shù)。電子熔絲可以是單向半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，用于阻斷一個(gè)方向上的電壓和電流，也可以是雙向開(kāi)關(guān)，用于阻斷兩個(gè)方向上的電壓和電流（例如，電源到負(fù)載和負(fù)載到電源）。電子熔絲結(jié)合了熔絲和機(jī)電繼電器的功能，并且可能包含負(fù)載電流報(bào)告等附加功能，從而無(wú)需在系統(tǒng)中使用獨(dú)立的電流傳感器。

圖1 Microchip 的 E-Fuse 技術(shù)演示板

SiC的電子熔絲演示板實(shí)現(xiàn)了快速響應(yīng)時(shí)間，將短路電流限制在僅幾百安培。借助寬帶寬電流檢測(cè)電路并使用默認(rèn)設(shè)置，它可在 700 納秒內(nèi)檢測(cè)到短路，并在 1 至 6 微秒范圍內(nèi)清除故障（具體取決于系統(tǒng)電感）。圖 2 中時(shí)間-電流特性（TCC）曲線定義的跳閘行為可通過(guò)軟件或本地互連網(wǎng)絡(luò)（LIN）配置。TCC 曲線包含三種檢測(cè)方法：結(jié)溫估算、基于模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的電流采樣以及可通過(guò)軟件配置的硬件檢測(cè)電路。

圖 3 中的檢測(cè)電路包括一個(gè)帶有開(kāi)爾文檢測(cè)連接的分流電阻器（用于提供精確的電壓測(cè)量）、一個(gè)具有高增益帶寬積的運(yùn)算放大器、一個(gè)具有可配置基準(zhǔn)的快速比較器以及一個(gè)置位-復(fù)位 （SR）鎖存器，以實(shí)現(xiàn)快速短路檢測(cè)和保護(hù)。對(duì)于不需要立即響應(yīng)的過(guò)載，電流檢測(cè)信號(hào)由單片機(jī)的 ADC 和固件處理。該設(shè)計(jì)包括兩種工作模式：邊沿觸發(fā)模式或穿越模式。在邊沿觸發(fā)模式下，超過(guò)閾值的過(guò)流會(huì)觸發(fā)立即關(guān)斷。在穿越模式下，過(guò)流會(huì)立即將SiC MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)至較低電壓，以延長(zhǎng)其短路耐受時(shí)間。如果過(guò)流持續(xù)時(shí)間超過(guò)預(yù)定義的可配置持續(xù)時(shí)間，則SiC MOSFET 將關(guān)閉，從而中斷電路。但是，如果電流降至閾值以下，MOSFET 柵極將被驅(qū)動(dòng)回全柵極驅(qū)動(dòng)。

卓越的短路保護(hù)

圖 4 顯示了使用傳統(tǒng) 30A 和 30A E-Fuse 演示板進(jìn)行充電電容短路測(cè)試時(shí)的允通電流。為了證明快速響應(yīng)時(shí)間，E-Fuse 在更惡劣的工作條件下進(jìn)行了測(cè)試，源電感降低了六倍，這導(dǎo)致電流斜坡比熔絲測(cè)試中的陡度高六倍。即使在這種情況下，E-Fuse 測(cè)試中的短路電流峰值也僅為216A，而熔絲允許的峰值電流為 3.6 kA。E-Fuse 的總故障清除時(shí)間為 672 ns，傳統(tǒng)熔絲的總故障清除時(shí)間為 276 µs。除了快速的故障清除時(shí)間允許較低的短路允通 （LT）電流之外，允通能量也比傳統(tǒng)熔絲低數(shù)百到數(shù)千倍。本次測(cè)試中，電子熔絲的允通能量為 406 mJ ，而受熔絲保護(hù)的電路的允通能量?jī)H為 85J。這種顯著的性能差異有望在采用電子熔絲保護(hù)的情況下，防止故障負(fù)載演變?yōu)橛补收稀?/p>

此外，在熔絲測(cè)試中，直流母線電容完全放電。然而，在受電子熔絲保護(hù)的電路中，450V 直流母線電壓僅下降了 2V，持續(xù)時(shí)間不到 200 納秒。這是一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗试S系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，而無(wú)需擔(dān)心設(shè)備故障導(dǎo)致直流母線電壓驟降或下降。在許多系統(tǒng)中，故障可能造成危險(xiǎn)或代價(jià)高昂的停機(jī)，而電子熔絲可提供卓越的電路保護(hù)?？偨Y(jié)測(cè)試結(jié)果，電子熔絲清除短路故障的速度提高了 300 倍，允通電流降低了 16 倍，允通能量降低了 200 倍，同時(shí)保持了直流母線的穩(wěn)定。

圖4 使用熔絲（頂部）和 E-Fuse（底部）進(jìn)行短路測(cè)試

如上所述，基于SiC的電子熔絲（E-Fuse）具有多項(xiàng)系統(tǒng)級(jí)優(yōu)勢(shì)，不僅比傳統(tǒng)解決方案更有效地保護(hù)線路和負(fù)載，還能簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及保護(hù)、控制和傳感的集成。隨著萬(wàn)物電氣化對(duì)更高電壓、更高效率和更低開(kāi)關(guān)損耗的需求不斷增長(zhǎng)，對(duì)寬帶隙半導(dǎo)體的需求也將持續(xù)增長(zhǎng)。這些應(yīng)用中的電氣系統(tǒng)將受益于電子熔絲解決方案，因?yàn)樗丝删S護(hù)性設(shè)計(jì)的限制，并提高了系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)間、可靠性和安全性。