使用 SSCB 保护现代高压直流系统的优势

在各种应用中，系统效率和功率密度不断提高，这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在保持高可靠性和安全性的同时有效保护这些高压配电系统。

固态断路器 （SSCB） 和电熔断器具有众多优点，尤其是低允许通过电流和能量，因此现在正在集成到设计中。本文基于近在 PCIM 2024 博览会和会议上的演讲，探讨了 SSCB 作为传统解决方案的卓越替代方案的优势。

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，允许通过电流和能量显著降低，电弧和电弧闪光的危险也减少了。

固态解决方案的优势

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稳定的直流总线电压，用于下游负载。这些系统中的布线范围从几米到几公里不等，引入了寄生线和总线电感，这会影响电路保护器件的性能。

固态解决方案提供快速响应时间，优于传统的接触器和继电器，传统接触器和继电器在负载断开期间由于系统感应引起的电弧而存在可靠性问题。电弧会使接触器组件退化，从而显著缩短其使用寿命。

图 1 显示了在负载下断开 400 V 直流系统相关的电弧时间。固态解决方案可以在微秒内中断高短路电流，比传统解决方案中产生小电弧所需的短时间（图 1 所示情况下为 4 ms）快得多。

图 1：400 V 直流断开后的电弧形成

在高压应用中，安全至关重要。例如，在使用高压锂电池（如 ESS 和 EV）的系统中，放电和电弧会带来重大的安全风险。这些会触发热失控事件，这些事件是危险的，而且可能是灾难性的。快速响应电路中断装置可以将短路电流限制在几百安培，大大降低维持电弧闪光事件所需的高电弧电流，从而提高系统安全性。

测试设置

为了评估短路性能，已经建立了一个合适的电路（有关详细信息，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、总线电压和短路电流。测试电路中存储的能量计算为 113.4 J。

DUT 可在传统保险丝和 SSCB 原型（Microchip 的辅助 E-Fuse 演示板，简称 E-Fuse）之间互换。

一旦电容器 C线和 C总线，在测试开始时已充电至 450 V，将直流电源从测试电路上拔下。当 DUT 配备典型保险丝时，继电器触点闭合以提供短路连接。当 DUT 是 E-Fuse 板时，继电器被旁路，因为它被激活以使用通过本地互连网络 （LIN） 传输的串行命令造成短路。

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、电压暂降和允许通过能量等因素。

熔断器测试和模拟

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

对传统 20 A 快速熔断器进行的短路测试结果。

图 2：对传统 20 A 快速熔断器进行的短路测试结果

使用 MPLAB Mindi 模拟仿真器开发的基于 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骤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，总线电压下降更明显，从而影响系统稳定性。

E-Fuse 测试和仿真

Microchip 辅助 E-Fuse 演示板（400 V、30 A 型号）在 0.8 μH 和 5 μH 的总线电感下进行了测试。该板如图 3 所示，具有两个并联的 15 mΩ 700 V SiC MOSFET。

图 3：Microchip 的 E-Fuse 板和原理图

需要注意的是，E-Fuse 板与专为性使用而设计的传统保险丝不同，可以在检测到过电流后复位。这提供了几个优势，例如能够在多个工作条件下分析和描述单个设备。

该板包括一个工作电压为 12 V 的低压区，该低压区是电气隔离的，并将偏置电源传输到高压区中的监视器、控制和驱动电路。跳闸曲线可以使用 LIN 进行调整，它由一个基于硬件的短路监视器组成，该监视器可配置为 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，峰值总线电流为 216 A 和 287 A。总线电压骤降，表明 E-Fuse 的有效电流中断。

具有不同过流阈值的进一步测试表明，峰值允许电流范围为 45 A 至 287 A，大多数测量的总线电压骤降低于 1 V，峰值功率为 20 kW 至 129 kW，允许通过能量为 28 mJ 至 406 mJ。

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

调查表明，SSCB 是一种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更快的响应时间，从而限制了故障事件期间流动的电流量。