Bezpieczniki szybkie do ochrony komponentów półprzewodnikowych

Wraz z gwałtownym rozwojem energoelektroniki zapoczątkowanym w latach 50-tych ubiegłego wieku, nastąpił rozwój różnych odmian półprzewodnikowych przyrządów mocy. Elementy te (np. diody, tyrystory, tranzystory mocy) cechują się słabymi parametrami przeciążeniowymi, dlatego wymagają bardzo wrażliwej i szybko działającej ochrony. Błędy skutkujące zwarciami w urządzeniach energoelektronicznych mogą spowodować niemałe uszkodzenia zarówno samego urządzenia jak jego otoczenia z uwagi na ryzyko eksplozji. Optymalnym rozwiązaniem w tym przypadku stają się bezpieczniki szybkie, specyficznie zaprojektowane z myślą o ochronie półprzewodnikowych elementów mocy. Celem niniejszego artykułu jest przedstawienie podstawowych pojęć, parametrów i funkcji tych bezpieczników.

Wprowadzenie do idei bezpieczników szybkich

Dobór bezpiecznika dedykowanego ochronie aparatury energoelektronicznej nie jest procesem trywialnym z uwagi na unikalną specyfikę poszczególnych aplikacji. Firma MARKEL oferuje wsparcie techniczne podczas doboru bezpieczników szybkich firmy MERSEN, z którą ściśle współpracuje w tej dziedzinie. Wybierając bezpiecznik komponentów półprzewodnikowych, trzeba zwykle sprostać przeciwstawnym wymaganiom. Podczas gdy z jednej strony, w trakcie normalnej pracy oczekuje się niskich strat mocy, nieograniczonej żywotności, niskich temperatur korpusu i terminali zachowując przy tym niskie koszty zakupu, z drugiej strony potrzebujemy rozwiązania, które będzie działało niezwłocznie, przy możliwie minimalnym przepuszczaniu nadmiernej energii i niskim napięciu łuku, oraz zachowując racjonalny moment wyzwolenia. Bezpieczniki komponentów półprzewodnikowych mocy projektowane są tak, aby spełniały zestaw parametrów określonych przez międzynarodowe standardy, takie jak UL, CSA i IEC 602694 (np. wzrost temperatury korpusu i zacisków, napięcie łuku), a także uwzględniały potrzeby wynikające z aplikacji użytkownika: energia przepuszczana przez bezpiecznik, powszechnie znana jako I²t, oczekiwany cykl życia, rodzaj połączenia, wskaźniki działania bezpiecznika itp. Wiele z wymagań stawianych bezpiecznikom jest ze sobą w sprzeczności a ich dobór bywa rezultatem pewnego kompromisu. Niemniej jednak nowe konstrukcje bezpieczników oraz nowe procesy produkcyjne pomagają rozwiązać niektóre wyzwania. Co więcej, nowe narzędzia do symulacji, oprócz specyfikacji technicznych MERSEN, upraszczają dobór bezpieczników do wymagających aplikacji energoelektronicznych, takich jak napędy i prostowniki.

Technologia wykonania bezpieczników

Nowoczesne bezpieczniki szybkie wykonywane są w wielu kształtach i rozmiarach (Rysunek 1), ale wszystkie posiadają te same kluczowe cechy. Chociaż wszystkie części budowy bezpiecznika wpływają na całkowitą ich charakterystykę działania i wydajność, kluczowym elementem jest wkład topikowy bezpiecznika. Typowy bezpiecznik składa się z jednego lub więcej elementów topikowych przyspawanych lub przylutowanych do styków/zacisków bezpiecznika. Przewodniki wykonane są z materiałów o wysokiej przewodności elektrycznej, zaprojektowane z wieloma zredukowanymi sekcjami zwanymi zwykle „przewężeniami”. Element topikowy otoczony jest wypełniaczem, zwykle piaskiem krzemionkowym. Piasek odgrywa ważną rolę w działaniu bezpieczników. Uczestniczy w procesie gaszenia łuk elektrycznego, powstającego po stopieniu się zredukowanych sekcji w celu otwarcia obwodu. Jego podstawową funkcją jest absorbcja energii wyładowania łukowego w trakcie zwarcia natomiast służy także jako chłodnica elementu topikowego podczas normalnej pracy. Piasek przewodzi ciepło do korpusu, który z kolei rozprasza je w otoczeniu bezpiecznika. Korpus wykonuje się z ceramiki lub z tworzywa aby zapewnić niezbędne właściwości izolacyjne. Podłączenie elementu bezpiecznikowego do ochranianego obwodu umożliwiają złącza końcowe, zwykle wykonane z powlekanej miedzi. Pozostałe elementy bezpiecznika różnią się w zależności od jego rodzaju, przeznaczenia jak i zastosowanych metod produkcji.

Podstawowe parametry bezpieczników

Bezpiecznik jest skalibrowanym urządzeniem, zaprojektowanym w taki sposób, by w określonych warunkach przetężeniowych przerwać przewodzenie prądu. Zmniejszone obszary przekroju w elemencie topikowym regulują wartość znamionową prądu bezpiecznika. Materiał elementu, masa i konfiguracja wycięcia wraz z otaczającymi materiałami zabudowy przyczyniają się do zwiększania wydajności pracy bezpiecznika. Zredukowana ścieżka odcinka przewodnika prowadzi do wyższej gęstości prądu, a tym samym do wyższego ciepła wytwarzanego w przewężeniach. Całkowity przekrój wycięć określa wstępne I²t potrzebne do stopienia elementu bezpiecznikowego, innymi słowy energię, którą należy dostarczyć do bezpiecznika, aby stopić ścieżkę o zmniejszonym przekroju. W przypadku długotrwałego przetężenia element bezpiecznikowy wytwarza ciepło z większą intensywnością niż wypełniacz jest w stanie go odprowadzić. Jeśli przetężenie utrzyma się ponad graniczne dla topika wartości, struktura przewężeń osiągnie swoją temperaturę topnienia. Charakterystyka czasowo-prądowa (Rysunek 2) jest reakcją termiczną bezpiecznika na prąd przetężeniowy, reprezentuje moment stopienia się wkładu w funkcji natężenia prądu. Przedstawiona krzywa obrazuje podstawową zależność, im wyższa wartość przetężenia, tym ogólnie mniejszy czas potrzebny na wyłączenie obwodu.  

Po upływie czasu tzw. przedłukowego bezpiecznik przechodzi w tryb iskrzenia. Struktura Bezpiecznika wytworzy napięcie łuku, wyższe niż napięcie źródła, co spowoduje redukcję prądu do zera. Ten okres nazywany jest czasem wyładowania łukowego. W tym okresie bezpiecznik będzie musiał rozproszyć energię dostarczaną przez źródło, a także energię zmagazynowaną w indukcyjności obwodu. Całkowita energia przepuszczona przez bezpiecznik określana jako Całka Joule’a I²t jest wynikiem sumy energii potrzebnej do stopienia wkładu oraz energii wydzielonej w trakcie gaszenia łuku. Wartości te podane są dla wszystkich bezpieczników komponentów półprzewodnikowych firmy MERSEN w kartach katalogowych. Podstawowym warunkiem zabezpieczenia przed skutkami zwarć jest, aby całkowita wartość energii wyrażonej całką I²t przepuszczona przez bezpiecznik podczas awarii musi być mniejsza niż odpowiadająca jej wartość I²t, która powoduje uszkodzenie systemu.

Przykłady zastosowania

Półprzewodniki mocy chronione bezpiecznikami o dużej prędkości działania są stosowane w wielu aplikacjach, takich jak napędy prądu przemiennego, napędy prądu stałego, trakcja, softstarty, piece indukcyjne i falowniki. Źródłem zasilania może być sieć, lokalny generator lub akumulatory. Konfiguracje obwodów dla tych aplikacji są bardzo różnorodne, stąd dla każdego rodzaju obwodu inaczej wyznacza się odpowiedni poziom RMS i poziom prądu obciążenia dla instalacji bezpiecznika. Aplikacje te są podzielone na dwie zasadnicze grupy: prądu przemiennego i stałego, ale wiele z nich znajdujących się w nowoczesnych obwodach wykorzystujących w swojej pracy zarówno prąd przemienny jak i stały posiada zwykle wymagania dotyczące zastosowania bezpieczników w dwóch częściach. Przykładowo jednocześnie po stronie przetwornicy AC/DC i następnie w sekcji falownika. Mimo, że elektroniczne zabezpieczenia przed przeciążeniem i zwarciem są zwykle wbudowane w nowe elektroniczne półprzewodniki mocy, zabezpieczenie w postaci szybkiego bezpiecznika topikowego jest nadal niezbędne do zapewnienia poprawnej ochrony ponieważ z uwagi na prostą zasadę działania daje pewność wyłączenia w przypadku awarii wspomnianych systemów lub samego urządzenia.

Bezpieczniki półprzewodnikowe wysokiego napięcia

Wzrost napięcia towarzyszący ochronie IGCT i IEGT, zapotrzebowanie na niższy poziom I²t do ochrony

IGBT i wymagania stawiane przy zabezpieczaniu dużych prostowników doprowadziły do powstania nowych wartości znamionowych i zwiększonej wydajności bezpieczników topikowych. Nie jest już rzadkością spotkanie bezpieczników do urządzeń energoelektronicznych o wartościach rzędu 10 kV przy 1000 A. Specjalnie wykonane płaskie bezpieczniki o niskiej indukcyjności (Rysunek 3) zostały zaprojektowane w celu zapewnienia ochrony dla wymagających aplikacji. Cechują się niskim poziomem I²t i wyjątkowo wysoką zdolnością wyłączania. Rynek energoelektroniczny jest zbyt skomplikowany by przedstawić rozwiązania ochrony wszystkich aplikacji półprzewodnikowych mocy. Szczególnie w wymagających przypadkach niezbędne okazuje się przeprowadzanie symulacji uszkodzeń w profesjonalnych laboratoriach MERSEN.

Podsumowanie

Koszt jest zawsze czynnikiem decydującym przy wyborze bezpiecznika, ale należy przy tym procesie uwzględnić koszty związane z ryzykiem uszkodzenia całego systemu. W tym artykule przedstawiono w skrócie główne cechy charakterystyczne bezpieczników komponentów półprzewodnikowych. Jest to jednak zdecydowanie zbyt mało by umożliwić właściwy dobór wkładki do danej aplikacji.  Faktyczny wybór bezpieczników wymaga analizy szerokiej gamy parametrów, szczegółowych dyskusji między inżynierami projektu a wsparciem technicznym. Firma MARKEL ściśle współpracując z inżynierami MERSEN, oferuje doradztwo i pomoc w doborze elementów na najwyższym poziomie, nawet w przypadku rzadkich, wymagających aplikacji.  Nasze wsparcie techniczne pomaga dokonać najlepszego wyboru pod względem technicznym i ekonomicznym. Zapraszamy do składania zapytań.

Dane kontaktowe:

Rafał Piętka
Markel Sp. z o.o.
ul. Okulickiego 7/9
05-500 Piaseczno
tel. 22-428 10 29
e-mail: markel@markel.pl