使用 SSCB 保護(hù)現(xiàn)代高壓直流系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

在各種應(yīng)用中，系統(tǒng)效率和功率密度不斷提高，這導(dǎo)致了更高的直流系統(tǒng)電壓。然而，傳統(tǒng)的電路保護(hù)解決方案不足以在保持高可靠性和安全性的同時(shí)有效保護(hù)這些高壓配電系統(tǒng)。
固態(tài)斷路器 （SSCB） 和電熔斷器具有眾多優(yōu)點(diǎn)，尤其是低允許通過電流和能量，因此現(xiàn)在正在集成到設(shè)計(jì)中。本文基于近在 PCIM 2024 博覽會(huì)和會(huì)議上的演講，探討了 SSCB 作為傳統(tǒng)解決方案的卓越替代方案的優(yōu)勢(shì)。
此外，基于碳化硅的固態(tài)解決方案與直流熔斷器的比較表明，允許通過電流和能量顯著降低，電弧和電弧閃光的危險(xiǎn)也減少了。
固態(tài)解決方案的優(yōu)勢(shì)
高壓配電系統(tǒng)通常從電網(wǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng) （ESS） 或可再生能源等來源接收電力。這些系統(tǒng)通常包括電力電子轉(zhuǎn)換器，可有效地將輸入功率轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流總線電壓，用于下游負(fù)載。這些系統(tǒng)中的布線范圍從幾米到幾公里不等，引入了寄生線和總線電感，這會(huì)影響電路保護(hù)器件的性能。
固態(tài)解決方案提供快速響應(yīng)時(shí)間，優(yōu)于傳統(tǒng)的接觸器和繼電器，傳統(tǒng)接觸器和繼電器在負(fù)載斷開期間由于系統(tǒng)感應(yīng)引起的電弧而存在可靠性問題。電弧會(huì)使接觸器組件退化，從而顯著縮短其使用壽命。
圖 1 顯示了在負(fù)載下斷開 400 V 直流系統(tǒng)相關(guān)的電弧時(shí)間。固態(tài)解決方案可以在微秒內(nèi)中斷高短路電流，比傳統(tǒng)解決方案中產(chǎn)生小電弧所需的短時(shí)間（圖 1 所示情況下為 4 ms）快得多。

圖 1：400 V 直流斷開后的電弧形成

在高壓應(yīng)用中，安全至關(guān)重要。例如，在使用高壓鋰電池（如 ESS 和 EV）的系統(tǒng)中，放電和電弧會(huì)帶來重大的安全風(fēng)險(xiǎn)。這些會(huì)觸發(fā)熱失控事件，這些事件是危險(xiǎn)的，而且可能是災(zāi)難性的。快速響應(yīng)電路中斷裝置可以將短路電流限制在幾百安培，大大降低維持電弧閃光事件所需的高電弧電流，從而提高系統(tǒng)安全性。
測(cè)試設(shè)置
為了評(píng)估短路性能，已經(jīng)建立了一個(gè)合適的電路（有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參閱參考資料）。它由高壓直流電源、線路阻抗網(wǎng)絡(luò)、總線阻抗網(wǎng)絡(luò)、被測(cè)設(shè)備 （DUT） 和機(jī)電繼電器組成。這些組件模擬直流電源和下游配電系統(tǒng)之間的阻抗。高壓差分電壓探頭和羅氏線圈分別測(cè)量線路電壓、總線電壓和短路電流。測(cè)試電路中存儲(chǔ)的能量計(jì)算為 113.4 J。

DUT 可在傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲和 SSCB 原型（Microchip 的輔助 E-Fuse 演示板，簡(jiǎn)稱 E-Fuse）之間互換。
一旦電容器 C線和 C總線，在測(cè)試開始時(shí)已充電至 450 V，將直流電源從測(cè)試電路上拔下。當(dāng) DUT 配備典型保險(xiǎn)絲時(shí)，繼電器觸點(diǎn)閉合以提供短路連接。當(dāng) DUT 是 E-Fuse 板時(shí)，繼電器被旁路，因?yàn)樗患せ钜允褂猛ㄟ^本地互連網(wǎng)絡(luò) （LIN） 傳輸?shù)拇忻钤斐啥搪贰?br/>該研究在模擬高壓直流系統(tǒng)中比較了這兩種類型的設(shè)備。該實(shí)驗(yàn)測(cè)量了模擬故障期間的清除時(shí)間、峰值電流、電壓暫降和允許通過能量等因素。
熔斷器測(cè)試和模擬
使用帶有傳統(tǒng) 20 A 快速熔斷保險(xiǎn)絲的測(cè)試裝置，短路測(cè)試結(jié)果（圖 2）顯示清除時(shí)間為 276 μs，總線峰值電流為 3,590 A。電容完全放電，導(dǎo)致線路和總線電壓節(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)負(fù)電壓（總線電壓降至 –110 V），這是由于測(cè)試前電源斷開造成的偽影。峰值功率達(dá)到 963 kW，能量為 85.4 J。
對(duì)傳統(tǒng) 20 A 快速熔斷器進(jìn)行的短路測(cè)試結(jié)果。
圖 2：對(duì)傳統(tǒng) 20 A 快速熔斷器進(jìn)行的短路測(cè)試結(jié)果
使用 MPLAB Mindi 模擬仿真器開發(fā)的基于 SPICE 的模型對(duì)測(cè)試電路進(jìn)行了仿真。該模型與物理系統(tǒng)緊密結(jié)合，可以評(píng)估線路電感對(duì)總線電壓驟降持續(xù)時(shí)間和量的影響。仿真結(jié)果表明，隨著線路電感的增加，總線電壓下降更明顯，從而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。
E-Fuse 測(cè)試和仿真
Microchip 輔助 E-Fuse 演示板（400 V、30 A 型號(hào)）在 0.8 μH 和 5 μH 的總線電感下進(jìn)行了測(cè)試。該板如圖 3 所示，具有兩個(gè)并聯(lián)的 15 mΩ 700 V SiC MOSFET。

圖 3：Microchip 的 E-Fuse 板和原理圖

需要注意的是，E-Fuse 板與專為性使用而設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲不同，可以在檢測(cè)到過電流后復(fù)位。這提供了幾個(gè)優(yōu)勢(shì)，例如能夠在多個(gè)工作條件下分析和描述單個(gè)設(shè)備。
該板包括一個(gè)工作電壓為 12 V 的低壓區(qū)，該低壓區(qū)是電氣隔離的，并將偏置電源傳輸?shù)礁邏簠^(qū)中的監(jiān)視器、控制和驅(qū)動(dòng)電路。跳閘曲線可以使用 LIN 進(jìn)行調(diào)整，它由一個(gè)基于硬件的短路監(jiān)視器組成，該監(jiān)視器可配置為 33 A 的電流閾值分辨率。
測(cè)試結(jié)果顯示清除時(shí)間分別為 672 μs 和 6.3 μs，峰值總線電流為 216 A 和 287 A?？偩€電壓驟降，表明 E-Fuse 的有效電流中斷。
具有不同過流閾值的進(jìn)一步測(cè)試表明，峰值允許電流范圍為 45 A 至 287 A，大多數(shù)測(cè)量的總線電壓驟降低于 1 V，峰值功率為 20 kW 至 129 kW，允許通過能量為 28 mJ 至 406 mJ。
與傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲相比，E-Fuse 表現(xiàn)出卓越的性能，峰值電流和能量顯著降低，提高了安全性和可靠性。
調(diào)查表明，SSCB 是一種比傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲更有效的解決方案。與保險(xiǎn)絲和接觸器不同，SSCB 利用半導(dǎo)體以電子方式中斷電流。這消除了電弧并提供更快的響應(yīng)時(shí)間，從而限制了故障事件期間流動(dòng)的電流量。