Полупроводниковые предохранители (aR/gR) — координация по I²t для защиты тиристоров и IGBT (IEC 60269-4)

Руководство о плавких предохранителях — системы Diazed, Neozed и NH рассматривает распространённые классы предохранителей для защиты кабелей и установок (gG, aM). Эта статья рассматривает специализированную категорию, которая существенно от них отличается: полупроводниковый предохранитель, стандартизированный в IEC 60269-4, предназначенный для защиты силовых электронных компонентов, таких как тиристоры, диоды и IGBT, от тока короткого замыкания.

Почему обычный предохранитель не защищает полупроводник достаточно быстро

Силовой полупроводник имеет чрезвычайно малый, тонкий кремниевый кристалл с пренебрежимо малой тепловой массой по сравнению с медным кабельным проводником. При коротком замыкании температура кристалла может достичь разрушительных значений в течение доли сетевого цикла — задолго до того, как обычный предохранитель gG или aM, не говоря уже об автоматическом выключателе, успеет прервать ток. Поэтому полупроводниковый предохранитель спроектирован так, чтобы плавиться и гасить дугу чрезвычайно быстро, с гораздо более низким пропускаемым I²t, чем у сопоставимого по номиналу стандартного предохранителя.

I²t: общий язык между предохранителем и полупроводником

Как предохранитель, так и защищаемый полупроводниковый элемент характеризуются значением I²t (интегрированным по времени квадратом тока — мерой тепловой энергии, выделяемой при коротком замыкании):

• Производитель полупроводника указывает максимальное допустимое значение I²t (withstand), которое кристалл может выдержать без необратимого повреждения (часто выражается для половины сетевого цикла в 10 мс при 50 Гц).
• Производитель предохранителя указывает собственное пропускаемое I²t предохранителя, разделённое на преддуговое I²t (до момента плавления) и полное (дуговое) I²t (до полного прерывания тока).

Для правильной защиты должно выполняться:

I²t(предохранитель, полное) < I²t(полупроводник, допустимое)

с практическим запасом безопасности, поскольку производственные допуски и температурная зависимость обоих компонентов заставляют фактические значения варьироваться вокруг номинальных.

aR против gR — различие, которое часто упускают из виду

Среди прочих категорий применения IEC 60269-4 определяет две известные категории, названия которых похожи, но функционально существенно различаются:

• aR (частичный диапазон): этот предохранитель предназначен исключительно для прерывания токов короткого замыкания, значительно превышающих номинальный ток. Предохранитель aR не обеспечивает надёжной защиты от перегрузки при токах, немного превышающих номинальное значение, и поэтому всегда должен сочетаться с отдельным устройством защиты от перегрузки (например, тепловым реле или встроенным токоограничением самого силового электронного регулятора).
• gR (полный диапазон): этот предохранитель покрывает как токи перегрузки, так и токи короткого замыкания во всём диапазоне, подобно обычному предохранителю gG, но с гораздо более быстрым временем срабатывания и более низким пропускаемым I²t, необходимым для полупроводникового элемента.

Внимание: замена aR на gR (или наоборот) только на основании номинального тока и напряжения, без учёта категории применения, может привести к тому, что цепь останется без работающей защиты от перегрузки — сам предохранитель сработает тогда только при коротком замыкании, а не при длительной, повреждающей перегрузке.

Пиковый пропускаемый ток (Ip) как вторая величина координации

Помимо значения I²t полупроводниковый предохранитель также ограничивает пиковый пропускаемый ток (Ip), который всё ещё протекает по цепи во время плавления и гашения дуги, прежде чем ток полностью сведётся к нулю. Это пиковое значение также должно оставаться ниже допустимого пикового тока полупроводникового элемента — предохранитель с низким I²t, но слишком высоким Ip, всё же может подвергнуть кристалл разрушительному пиковому броску тока, даже если общая тепловая энергия ограничена.

Практическое значение

При выборе или замене полупроводникового предохранителя в частотном преобразователе, выпрямительном мосте или другой силовой электронной системе недостаточно выбирать только по номинальному напряжению и току, как в случае обычного установочного предохранителя: пропускаемое I²t и пиковый ток (Ip) предохранителя должны быть явно сопоставлены со значениями I²t и пикового тока, указанными производителем защищаемого полупроводникового элемента, а категория применения (aR или gR) должна соответствовать тому, имеется ли уже отдельная защита от перегрузки.

Частые ошибки

1. Замена полупроводникового предохранителя обычным предохранителем gG или aM того же номинального тока — пропускаемое I²t стандартного предохранителя, как правило, значительно превышает то, что может выдержать полупроводниковый элемент.
2. Применение предохранителя aR без отдельной защиты от перегрузки в предположении, что предохранитель сам по себе покрывает все функции защиты — aR защищает исключительно от короткого замыкания.
3. Выбор только по номинальному току без сравнения значений I²t и Ip предохранителя с данными производителя полупроводника, тогда как два предохранителя с одинаковым номинальным током могут существенно различаться по пропускаемому I²t.
4. Забывание о том, что допустимое I²t полупроводникового элемента зависит от температуры — кристалл, уже нагретый от нормальной работы, имеет меньший тепловой запас для последующего короткого замыкания, чем предполагает значение из документации при температуре окружающей среды.

Связанные материалы

• Плавкие предохранители — системы Diazed, Neozed и NH
• Вклад в ток короткого замыкания от источников с инверторным питанием (PV, BESS) — IEC 60909-0
• Коммутационные устройства постоянного тока — почему выключатель переменного тока нельзя просто использовать в цепи постоянного тока
• Электродинамические силы при коротком замыкании на шинопроводах (IEC 60865-1)