用于电子保险丝的半导体开关实现安全保护

01/27/2021 Asia Knowledge cn

保险丝用于许多电力电子领域。直到最近,电缆、消费电子产品和电压源通常使用安全保险丝来保护。然而,使用半导体开关能够带来更大优势。

保险丝可以保护电气电路中的组件。如果发生过载或短路,将触发保险丝并断开电路。 这样可以防止损坏,并降低维修成本。设计关断特性的理想方式,应该是在其他组件(例如电缆、半导体或电路上的无源组件)受到损坏之前便切断电流。  

因此,正确设计合适尺寸的保险丝是电路上最薄弱的环节。受保护组件的热特性至关重要, 例如电缆、线束或所连接控制单元中的半导体开关等。 

电子保险丝包含半导体开关及其控制逻辑,包括保护和诊断功能,但不具备安全保险丝或电磁触发的机械触点。

 

保险丝的特性

安全保险丝是一次性产品。它们在电流的两个方向上进行传导、保护和分离。这种双向性在负载(取决于运行状态)由电动机或发电机作用的电路中是一个优势。这也包括如能够进行再生制动(蓄能) 的牵引逆变器。 

另一方面,电子保险丝则可以任意次触发并重置。由于采用了体二极管,因此设计采用单个MOSFET,因为开关仅在一个电流方向上断开。 因此,为了实现双向断开,需要切换两个反串行MOSFET,这意味着成本更高。与安全保险丝不同,对应的电子产品具有自己的功率要求。对于电池驱动的设备,尤其需要考虑到这一点。

 

切断行为

常规安全保险丝的特征在于规定了额定电流和触发行为(迟滞、敏捷、超敏捷等)。对于电子保险丝,则可以设置灵活的切断标准,包括: 

  • 功率规格(最大负载总和或熔化总和)
  • 过电流
  • 保险丝输入端的过压或欠压
  • 过载(功率)
  • 过热——环境或保险丝中

保险丝制造商还可以设置电子保险丝的触发行为。例如,可以先限制电流然后切断,或者立即切断并等待复位。 

由于电子保险丝已经包含开关,也可以用于此项功能。因此,任何其他开关都是多余的,还可以通过使用脉宽调制(PWM)控制开关来实现其他功能,例如软启动。

 

开通行为 

安全保险丝通常是一次性产品。 一旦完成其功能,便无法再使用,必须更换。 

对于电子保险丝,则可以使用可配置的半导体开关边缘陡度或通过PWM控制来实现软启动。触发后,它可以自动重新打开,并以预先定义的重复次数来尝试重置循环。另外,也可以仅根据具体要求进行重置。在这种情况下,有网络连接更有优势。

特别是在必须满足安全完整性等级(ASIL)要求的系统中,诊断功能是不可或缺的基本产品特性。 在这方面,电子保险丝也具有优势,因为可以直接集成诊断功能。此外,恒定电流计量可以创建和分析负载曲线,其结果可以用作早期警告,也可以用作采取预防措施的方法,例如预防性维护和更换磨损的零件。

 

电子保险丝的其他特性

在过载情况下,具有附加功能的电子保险丝有很大优势。在发生短路的情况下,其切断速度更快,这意味着车载电源其余部分的电压下降持续时间较短。这对于在该处安装的电子电路很重要;在长时间停电和随后的上电之后,将需要重置并重新启动才能再次运行。在关键辅助系统上,如果在行程中重新启动,系统可能会失效,这可能是极其危险的——这里最重要的是“安全电源”。

可以设计电子保险丝,以便在切断保险丝之前将电流限制在定义的最大值。即使发生短路,板上电源系统的电压也不会下降太多,不会导致其他控制单元重置。另外,漏感能量电荷受到限制。当发生振荡时,这可保持较低的电压尖峰。没有火花隙,开关/保险丝便不会出现电弧,这使得电子保险丝更适合在防爆领域使用。

 

产品示例

下表显示了用于电子保险丝的半导体器件的选择。部分组件针对特殊应用而开发,例如,智能高端驱动器仍需要附加逻辑功能才能实际用作保险丝。ST-Microelectronics的STEF01享有很高声誉,它的过电流(OC)、过电压(OV)、欠电压(UVLO)和压摆率均可以通过外部无源组件(完全可编程)进行配置。可以安装一个外部FET来实现反向电流阻断电路。

Conventional fuses as disposable products