Bezpieczniki półprzewodnikowe (aR/gR) — koordynacja I²t w ochronie tyrystorów i IGBT (IEC 60269-4)

Przewodnik o bezpiecznikach topikowych — systemy Diazed, Neozed i NH omawia powszechne klasy bezpieczników do ochrony kabli i instalacji (gG, aM). Ten artykuł omawia wyspecjalizowaną kategorię, która zasadniczo się od nich różni: bezpiecznik półprzewodnikowy, znormalizowany w IEC 60269-4, przeznaczony do ochrony elementów energoelektronicznych, takich jak tyrystory, diody i IGBT, przed prądem zwarciowym.

Dlaczego zwykły bezpiecznik nie chroni półprzewodnika wystarczająco szybko

Półprzewodnik mocy ma niezwykle mały, cienki chip krzemowy o zaniedbywalnej masie cieplnej w porównaniu z miedzianym przewodnikiem kablowym. Podczas zwarcia temperatura chipu może osiągnąć wartości niszczące w ciągu ułamka cyklu sieciowego — na długo zanim zwykły bezpiecznik gG lub aM, nie mówiąc już o wyłączniku automatycznym, zdąży przerwać prąd. Bezpiecznik półprzewodnikowy jest więc zaprojektowany tak, aby topić się i gasić łuk niezwykle szybko, z dużo niższym przepuszczalnym I²t niż porównywalny pod względem znamionowym bezpiecznik standardowy.

I²t: wspólny język między bezpiecznikiem a półprzewodnikiem

Zarówno bezpiecznik, jak i chroniony element półprzewodnikowy są charakteryzowane wartością I²t (całką kwadratu prądu w czasie — miarą energii cieplnej rozpraszanej podczas zwarcia):

• Producent półprzewodnika podaje maksymalną wytrzymałość I²t (withstand), jaką chip może wytrzymać bez trwałego uszkodzenia (często wyrażaną dla połowy cyklu sieciowego wynoszącej 10 ms przy 50 Hz).
• Producent bezpiecznika podaje własne przepuszczalne I²t bezpiecznika, podzielone na I²t przed łukiem (do momentu stopienia) i całkowite (łukowe) I²t (do pełnego przerwania prądu).

Dla prawidłowej ochrony musi być spełnione:

I²t(bezpiecznik, całkowite) < I²t(półprzewodnik, wytrzymałość)

z praktycznym marginesem bezpieczeństwa, ponieważ tolerancje produkcyjne i zależność temperaturowa obu elementów powodują, że rzeczywiste wartości wahają się wokół wartości znamionowych.

aR kontra gR — różnica często pomijana

Wśród innych kategorii zastosowania IEC 60269-4 definiuje dwie znane kategorie, których nazwy są podobne, ale funkcjonalnie istotnie się różnią:

• aR (zakres częściowy): ten bezpiecznik jest przeznaczony wyłącznie do przerywania prądów zwarciowych, znacznie przekraczających prąd znamionowy. Bezpiecznik aR nie zapewnia niezawodnej ochrony przeciążeniowej przy prądach nieznacznie przekraczających wartość znamionową i dlatego zawsze musi być połączony z oddzielnym urządzeniem zabezpieczającym przed przeciążeniem (na przykład przekaźnikiem termicznym lub wbudowanym ograniczeniem prądu samego regulatora energoelektronicznego).
• gR (pełny zakres): ten bezpiecznik obejmuje zarówno prądy przeciążeniowe, jak i zwarciowe w całym zakresie, podobnie jak zwykły bezpiecznik gG, ale z dużo szybszym czasem zadziałania i niższym przepuszczalnym I²t wymaganym dla elementu półprzewodnikowego.

Uwaga: zamiana aR na gR (lub odwrotnie) wyłącznie na podstawie prądu i napięcia znamionowego, bez uwzględnienia kategorii zastosowania, może spowodować, że obwód pozostanie bez działającej ochrony przeciążeniowej — sam bezpiecznik zadziała wtedy jedynie przy zwarciu, a nie przy długotrwałym, szkodliwym przeciążeniu.

Szczytowy prąd przepuszczalny (Ip) jako druga wielkość koordynacji

Oprócz wartości I²t bezpiecznik półprzewodnikowy ogranicza również szczytowy prąd przepuszczalny (Ip), który nadal płynie przez obwód podczas topienia i gaszenia łuku, zanim prąd zostanie całkowicie sprowadzony do zera. Ta wartość szczytowa musi również pozostawać poniżej wytrzymałości szczytowej elementu półprzewodnikowego — bezpiecznik o niskim I²t, ale zbyt wysokim Ip, mógłby nadal narazić chip na niszczący skok prądu, nawet jeśli całkowita energia cieplna jest ograniczona.

Znaczenie praktyczne

Przy doborze lub wymianie bezpiecznika półprzewodnikowego w przemienniku częstotliwości, mostku prostowniczym lub innym systemie energoelektronicznym nie wystarczy dobierać wyłącznie na podstawie napięcia i prądu znamionowego, jak w przypadku zwykłego bezpiecznika instalacyjnego: przepuszczalne I²t i prąd szczytowy (Ip) bezpiecznika muszą być wyraźnie porównane z wartościami I²t i prądu szczytowego podanymi przez producenta chronionego elementu półprzewodnikowego, a kategoria zastosowania (aR lub gR) musi odpowiadać temu, czy istnieje już oddzielna ochrona przeciążeniowa.

Częste błędy

1. Zastąpienie bezpiecznika półprzewodnikowego zwykłym bezpiecznikiem gG lub aM o tym samym prądzie znamionowym — przepuszczalne I²t standardowego bezpiecznika zazwyczaj znacznie przewyższa to, co może wytrzymać element półprzewodnikowy.
2. Zastosowanie bezpiecznika aR bez oddzielnej ochrony przeciążeniowej, zakładając, że sam bezpiecznik obejmuje wszystkie funkcje ochronne — aR chroni wyłącznie przed zwarciem.
3. Dobór wyłącznie na podstawie prądu znamionowego bez porównania wartości I²t i Ip bezpiecznika z danymi producenta półprzewodnika, podczas gdy dwa bezpieczniki o tym samym prądzie znamionowym mogą znacząco różnić się przepuszczalnym I²t.
4. Zapomnienie, że wytrzymałość I²t elementu półprzewodnikowego jest zależna od temperatury — chip już nagrzany podczas normalnej pracy ma mniejszy zapas cieplny na kolejne zwarcie niż sugeruje wartość z karty katalogowej w temperaturze otoczenia.

Powiązane

• Bezpieczniki topikowe — systemy Diazed, Neozed i NH
• Wkład w prąd zwarciowy ze źródeł zasilanych przez falowniki (PV, BESS) — IEC 60909-0
• Aparatura łączeniowa DC — dlaczego wyłącznika AC nie można po prostu ponownie zastosować w obwodzie DC
• Siły elektrodynamiczne przy zwarciu na szynoprzewodach (IEC 60865-1)