Microchip Technology Inc.

高功率解決方案業務部

資深顧問級應用工程師

Ehab Tarmoom

在減少排放和實現凈零目標的前進道路上，碳化硅技術將在可持續發展應用中發揮關鍵作用。這些應用可以通過在系統中添加電力電子器件（例如電機驅動器）或增強現有系統中的電力電子器件以達到更高的電壓并提高效率。隨著越來越多的應用集成電氣系統，對電路保護的需求至關重要。維修或更換組件的成本可能很高，因此設計人員正在實施更強大的電路保護方法。僅限于保護線路的電路中斷裝置對于敏感的電子負載已不再足夠。電子電路中斷解決方案（例如電子熔絲）可以保護線路并限制傳輸到故障負載的短路允通電流和能量，從而可以防止負載自身損壞。

傳統電路保護裝置的局限性

傳統熔絲是一次性元件，在清除故障后需要更換。因此，熔絲規定僅在持續高電流下熔斷。這可以保護系統中的線路，但無法保護敏感負載，并可能導致系統級停機。熔絲會隨著時間的推移而老化，從而嚴重影響其性能，例如，熔絲會變得更加敏感，這會增加誤跳閘的風險；或者變得不那么敏感，需要更高的電流才能跳閘。由于熔絲是可更換元件，因此在帶有熔絲的系統中，可維護性設計至關重要。從維護的角度來看，熔絲的可維護性至關重要，但這會對系統的長期可靠性產生不利影響。受保護電路和熔絲盒之間需要熔絲、熔絲座和額外的線路。熔絲盒通常包含面板、緊固件和用于環境保護的墊圈。在高壓系統中，通常會采用聯鎖回路，以便在熔絲面板打開時切斷系統電源。這些額外的可維護組件各自都存在故障風險，從而進一步縮短了熔絲的使用壽命。此外，在高壓系統中，只有經過培訓的合格人員才能更換熔絲。

高壓電子熔斷器的系統級優勢

熔絲的精度不高、一次性使用的限制以及繼電器和接觸器不夠堅固耐用，這些都是設計師轉向電子熔絲（E-Fuse）等電子解決方案的原因。很多時候，可靠性目標是主要原因。更高的精度、集成度、功能性、可復位性和系統正常運行時間是 E-Fuse 的主要優勢之一。然而，最主要的驅動力在于它能夠顯著提高系統可靠性。

E-Fuse是一種可控且可配置的固態電路中斷裝置。在 400V 和 800V 系統中，碳化硅（SiC）因其高擊穿電壓額定值、低導通電阻和高熱導率而成為最佳的功率半導體技術。電子熔絲可以是單向半導體開關，用于阻斷一個方向上的電壓和電流，也可以是雙向開關，用于阻斷兩個方向上的電壓和電流（例如，電源到負載和負載到電源）。電子熔絲結合了熔絲和機電繼電器的功能，并且可能包含負載電流報告等附加功能，從而無需在系統中使用獨立的電流傳感器。

圖1 Microchip 的 E-Fuse 技術演示板

SiC的電子熔絲演示板實現了快速響應時間，將短路電流限制在僅幾百安培。借助寬帶寬電流檢測電路并使用默認設置，它可在 700 納秒內檢測到短路，并在 1 至 6 微秒范圍內清除故障（具體取決于系統電感）。圖 2 中時間-電流特性（TCC）曲線定義的跳閘行為可通過軟件或本地互連網絡（LIN）配置。TCC 曲線包含三種檢測方法：結溫估算、基于模數轉換器（ADC）的電流采樣以及可通過軟件配置的硬件檢測電路。

圖 3 中的檢測電路包括一個帶有開爾文檢測連接的分流電阻器（用于提供精確的電壓測量）、一個具有高增益帶寬積的運算放大器、一個具有可配置基準的快速比較器以及一個置位-復位 （SR）鎖存器，以實現快速短路檢測和保護。對于不需要立即響應的過載，電流檢測信號由單片機的 ADC 和固件處理。該設計包括兩種工作模式：邊沿觸發模式或穿越模式。在邊沿觸發模式下，超過閾值的過流會觸發立即關斷。在穿越模式下，過流會立即將SiC MOSFET 柵極驅動至較低電壓，以延長其短路耐受時間。如果過流持續時間超過預定義的可配置持續時間，則SiC MOSFET 將關閉，從而中斷電路。但是，如果電流降至閾值以下，MOSFET 柵極將被驅動回全柵極驅動。

卓越的短路保護

圖 4 顯示了使用傳統 30A 和 30A E-Fuse 演示板進行充電電容短路測試時的允通電流。為了證明快速響應時間，E-Fuse 在更惡劣的工作條件下進行了測試，源電感降低了六倍，這導致電流斜坡比熔絲測試中的陡度高六倍。即使在這種情況下，E-Fuse 測試中的短路電流峰值也僅為216A，而熔絲允許的峰值電流為 3.6 kA。E-Fuse 的總故障清除時間為 672 ns，傳統熔絲的總故障清除時間為 276 µs。除了快速的故障清除時間允許較低的短路允通 （LT）電流之外，允通能量也比傳統熔絲低數百到數千倍。本次測試中，電子熔絲的允通能量為 406 mJ ，而受熔絲保護的電路的允通能量僅為 85J。這種顯著的性能差異有望在采用電子熔絲保護的情況下，防止故障負載演變為硬故障。

此外，在熔絲測試中，直流母線電容完全放電。然而，在受電子熔絲保護的電路中，450V 直流母線電壓僅下降了 2V，持續時間不到 200 納秒。這是一個關鍵優勢，因為它允許系統繼續運行，而無需擔心設備故障導致直流母線電壓驟降或下降。在許多系統中，故障可能造成危險或代價高昂的停機，而電子熔絲可提供卓越的電路保護。總結測試結果，電子熔絲清除短路故障的速度提高了 300 倍，允通電流降低了 16 倍，允通能量降低了 200 倍，同時保持了直流母線的穩定。

圖4 使用熔絲（頂部）和 E-Fuse（底部）進行短路測試

如上所述，基于SiC的電子熔絲（E-Fuse）具有多項系統級優勢，不僅比傳統解決方案更有效地保護線路和負載，還能簡化系統設計以及保護、控制和傳感的集成。隨著萬物電氣化對更高電壓、更高效率和更低開關損耗的需求不斷增長，對寬帶隙半導體的需求也將持續增長。這些應用中的電氣系統將受益于電子熔絲解決方案，因為它消除了可維護性設計的限制，并提高了系統正常運行時間、可靠性和安全性。