使用 SSCB 保护现代高压直流系统的优点

各种应用中不断提高系统效率和功率密度的趋势导致了更高的直流系统电压。然而，传统的电路保护解决方案不足以有效保护这些高压配电系统，同时保持高可靠性和安全性。

固态断路器 (SSCB) 和电熔断器由于其众多优点，特别是低允通电流和能量，现已被集成到设计中。此外，基于碳化硅的固态解决方案与直流熔断器的比较表明，允通电流和能量显着降低，电弧和电弧闪光的危险也减少。

固态解决方案的优点

高压配电系统通常从电网、储能系统 (ESS)或可再生能源等来源接收电力。这些系统通常包括电力电子转换器，可有效地将输入功率转换为下游负载的稳压直流总线电压。这些系统中的布线范围从几米到几千米，会引入寄生线路和总线电感，从而影响电路保护器件的性能。

固态解决方案提供了优于传统接触器和继电器的快速响应时间，传统接触器和继电器由于负载断开期间系统电感引起的电弧而存在可靠性问题。电弧会降低接触器部件的性能，从而显着缩短其使用寿命。

图 1 显示了在负载下断开 400V 直流系统相关的飞弧时间。固态解决方案可以在微秒内中断高短路电流，比传统解决方案中形成小电弧所需的最短时间快得多( 4 ms，如图 1 所示的情况)。

图 1：400V DC 断开后电弧形成

在高压应用中，安全至关重要。例如，在使用高压锂电池的系统(例如 ESS 和EV)中，放电和电弧会带来重大的安全风险。这些可能会引发热失控事件，这是危险的并且可能是灾难性的。快速响应电路中断装置可以将短路电流限制在几百安培，大大减少维持电弧闪光事件所需的高电弧电流，从而增强系统安全性。

测试设置

为了评估短路性能，设置了适当的电路(更多详细信息请参阅参考资料)。它由高压直流电源、线路阻抗网络、总线阻抗网络、被测设备(DUT)和机电继电器组成。这些组件模拟直流电源和下游配电系统之间的阻抗。高压差分电压探头和罗氏线圈分别测量线路电压、母线电压和短路电流。测试电路中存储的能量经计算为 113.4 J。

DUT 可在传统保险丝和 SSCB 原型之间互换。

一旦电容器 C LINE和 C BUS在测试开始时充电至 450 V，就从测试电路上拔下直流电源。当 DUT 配备典型的保险丝时，继电器触点闭合以提供短路连接。当 DUT 是 E-Fuse 板时，继电器会被绕过，因为使用通过本地互连网络 (LIN) 传输的串行命令激活继电器以创建短路。

该研究在模拟高压直流系统中比较了这两种类型的设备。该实验测量了模拟故障期间的清除时间、峰值电流、电压暂降和允通能量等因素。

保险丝测试与模拟

使用带有传统 20A 快速熔断保险丝的测试设置，短路测试结果(图 2)显示清除时间为 276 µs，峰值总线电流为 3,590 A。电容完全放电，产生负电压(总线电压降至 –110 V)线路和总线电压节点上，这是由于测试前电源断开造成的伪影。峰值功率达到963kW，能量为85.4J。

图 2：对传统 20A 快速熔断器进行的短路测试结果

使用 MPLAB Mindi 模拟模拟器开发的基于 SPICE 的模型对测试电路进行了仿真。该模型与物理系统紧密结合，可以评估线路电感对总线电压暂降持续时间和量的影响。仿真结果表明，随着线路电感的增加，母线电压下降更加明显，影响系统稳定性。

E-Fuse测试和模拟

Microchip辅助 E-Fuse 演示板采用 400V、30A 型号，使用 0.8 µH 和 5 µH 的总线电感进行了测试。如图 3 所示，该板具有两个并联的15mΩ 700V SiC MOSFET 。

值得注意的是，E-Fuse 板与设计为一次性使用的传统保险丝不同，可以在检测到过流后重置。这提供了多个优点，例如能够在多种操作条件下分析和描述单个设备。

该板包含一个工作电压为 12V 的低压区域，该区域是电气隔离的，并向高压区域中的监控、控制和驱动电路传输偏置电源。跳闸曲线可使用 LIN 进行调整，并由基于硬件的短路监视器组成，可配置为 33 A 的电流阈值分辨率。

测试结果显示，清除时间分别为 672 µs 和 6.3 µs，峰值总线电流分别为 216 A 和 287 A。总线电压跌落最小，表明 E-Fuse 能够有效中断电流。

使用不同过流阈值进行的进一步测试显示，峰值允通电流范围为 45 A 至 287 A，大多数测量中总线电压跌落至 1 V 以下，峰值功率为 20 kW 至 129 kW，允通能量为 28 mJ 至 406 mJ。

与传统保险丝相比，E-Fuse表现出卓越的性能，峰值电流和能量显着降低，提高了安全性和可靠性。

调查表明 SSCB 是比传统保险丝更有效的解决方案。与保险丝和接触器不同，SSCB 利用半导体以电子方式中断电流。这消除了电弧并提供了更快的响应时间，限制了故障事件期间流过的电流量。