Напівпровідникові запобіжники (aR/gR) — координація за I²t для захисту тиристорів та IGBT (IEC 60269-4)

Гід про плавкі запобіжники — системи Diazed, Neozed та NH розглядає поширені класи запобіжників для захисту кабелів і установок (gG, aM). Ця стаття розглядає спеціалізовану категорію, яка суттєво від них відрізняється: напівпровідниковий запобіжник, стандартизований у IEC 60269-4, призначений для захисту силових електронних компонентів, таких як тиристори, діоди та IGBT, від струму короткого замикання.

Чому звичайний запобіжник не захищає напівпровідник достатньо швидко

Силовий напівпровідник має надзвичайно малий, тонкий кремнієвий кристал із незначною тепловою масою порівняно з мідним кабельним провідником. Під час короткого замикання температура кристала може досягти руйнівних значень протягом частки мережевого циклу — задовго до того, як звичайний запобіжник gG чи aM, не кажучи вже про автоматичний вимикач, встигне перервати струм. Тому напівпровідниковий запобіжник спроєктований так, щоб плавитися й гасити дугу надзвичайно швидко, з набагато нижчим пропускним I²t, ніж у порівнянного за номіналом стандартного запобіжника.

I²t: спільна мова між запобіжником і напівпровідником

Як запобіжник, так і захищуваний напівпровідниковий елемент характеризуються значенням I²t (інтегрованим у часі квадратом струму — мірою теплової енергії, що виділяється під час короткого замикання):

• Виробник напівпровідника вказує максимальне допустиме значення I²t (withstand), яке кристал може витримати без незворотного пошкодження (часто виражається для половини мережевого циклу в 10 мс при 50 Гц).
• Виробник запобіжника вказує власне пропускне I²t запобіжника, розділене на передугове I²t (до моменту плавлення) та повне (дугове) I²t (до повного переривання струму).

Для правильного захисту має виконуватися:

I²t(запобіжник, повне) < I²t(напівпровідник, допустиме)

із практичним запасом безпеки, оскільки виробничі допуски та температурна залежність обох компонентів змушують фактичні значення варіюватися навколо номінальних.

aR проти gR — відмінність, яку часто упускають з уваги

Серед інших категорій застосування IEC 60269-4 визначає дві відомі категорії, назви яких схожі, але функціонально істотно різняться:

• aR (частковий діапазон): цей запобіжник призначений виключно для переривання струмів короткого замикання, значно вищих за номінальний струм. Запобіжник aR не забезпечує надійного захисту від перевантаження при струмах, трохи вищих за номінальне значення, і тому завжди має поєднуватися з окремим пристроєм захисту від перевантаження (наприклад, тепловим реле або вбудованим струмообмеженням самого силового електронного регулятора).
• gR (повний діапазон): цей запобіжник покриває як струми перевантаження, так і струми короткого замикання в усьому діапазоні, подібно до звичайного запобіжника gG, але з набагато швидшим часом спрацювання та нижчим пропускним I²t, необхідним для напівпровідникового елемента.

Увага: заміна aR на gR (або навпаки) лише на підставі номінального струму й напруги, без урахування категорії застосування, може призвести до того, що коло залишиться без працюючого захисту від перевантаження — сам запобіжник тоді спрацює лише при короткому замиканні, а не при тривалому, шкідливому перевантаженні.

Піковий пропускний струм (Ip) як друга величина координації

Крім значення I²t, напівпровідниковий запобіжник також обмежує піковий пропускний струм (Ip), який усе ще протікає колом під час плавлення й гасіння дуги, перш ніж струм повністю зведеться до нуля. Це пікове значення також має залишатися нижчим за допустимий піковий струм напівпровідникового елемента — запобіжник із низьким I²t, але занадто високим Ip, все ж може наразити кристал на руйнівний піковий викид струму, навіть якщо загальна теплова енергія обмежена.

Практичне значення

Під час вибору чи заміни напівпровідникового запобіжника в частотному перетворювачі, випрямному мості чи іншій силовій електронній системі недостатньо обирати лише за номінальною напругою та струмом, як у випадку звичайного установчого запобіжника: пропускне I²t та піковий струм (Ip) запобіжника мають бути явно зіставлені зі значеннями I²t і пікового струму, вказаними виробником захищуваного напівпровідникового елемента, а категорія застосування (aR чи gR) має відповідати тому, чи вже наявний окремий захист від перевантаження.

Часті помилки

1. Заміна напівпровідникового запобіжника звичайним запобіжником gG чи aM того самого номінального струму — пропускне I²t стандартного запобіжника, як правило, значно перевищує те, що може витримати напівпровідниковий елемент.
2. Застосування запобіжника aR без окремого захисту від перевантаження в припущенні, що запобіжник сам собою покриває всі функції захисту — aR захищає виключно від короткого замикання.
3. Вибір лише за номінальним струмом без порівняння значень I²t та Ip запобіжника з даними виробника напівпровідника, тоді як два запобіжники з однаковим номінальним струмом можуть суттєво різнитися за пропускним I²t.
4. Забування про те, що допустиме I²t напівпровідникового елемента залежить від температури — кристал, уже нагрітий від нормальної роботи, має менший тепловий запас для наступного короткого замикання, ніж передбачає значення з документації за температури навколишнього середовища.

Пов'язані матеріали

• Плавкі запобіжники — системи Diazed, Neozed та NH
• Внесок у струм короткого замикання від джерел з інверторним живленням (PV, BESS) — IEC 60909-0
• Комутаційні пристрої постійного струму — чому вимикач змінного струму не можна просто використати в колі постійного струму
• Електродинамічні сили при короткому замиканні на шинопроводах (IEC 60865-1)