Beskytt høyspennings elektriske systemer med en SiC-basert e-sikring

Silisiumkarbidteknologi vil spille en sentral rolle i bærekraftige applikasjoner ettersom vi i fellesskap kartlegger en vei videre for å redusere utslipp og nå netto nullutslippsmål. Disse applikasjonene kan muliggjøres ved å implementere kraftelektronikk i systemer, for eksempel motordrivere, eller forbedre kraftelektronikken i eksisterende systemer for å nå høyere spenninger og øke effektiviteten. Etter hvert som flere applikasjoner integrerer elektriske systemer, er behovet for beskyttelse av elektrisk kretser avgjørende. Kostnaden for å vedlikeholde eller erstatte komponenter kan være betydelig, så designere tar i bruk mer robuste metoder for kretsbeskyttelse. Kretsavbruddsenheter som er begrenset til å beskytte ledninger, er ikke lenger tilstrekkelige med følsomme elektroniske laster. En elektronisk kretsavbruddsløsning, for eksempel en E-sikring, beskytter ledningene og begrenser samtidig kortslutningsstrøm og energi som leveres til en feilutsatt last, noe som kan forhindre at lasten skader seg selv.

Begrensninger i tradisjonelle kretsbeskyttelseskomponenter

Den tradisjonelle sikringen er en engangskomponent som krever utskifting etter at en feil er rettet. Som sådan er sikringer spesifisert til å gå bare ved vedvarende høye strømmer. Dette kan beskytte ledninger i et system, men beskytter ikke følsomme laster, og kan føre til nedetid på systemnivå. Sikringer brytes ned over tid, noe som påvirker ytelsen betydelig, for eksempel blir sikringer mer følsomme, noe som øker risikoen for en plagsom opplevelse, eller blir mindre følsomme, noe som krever enda høyere strøm for å løse ut. Design for servicevennlighet er viktig i systemer med sikringer siden de er utskiftbare enheter. Tilgjengelighet til en sikring er viktig fra et servicesynspunkt, men har en negativ effekt på langsiktig pålitelighet av systemet. Sikringen, sikringsholderen og ekstra ledninger er nødvendig mellom den beskyttede kretsen og sikringsrommet. Rommet inkluderer vanligvis et panel, festemidler og en pakning for miljømessig beskyttelse. I høyspenningssystemer implementeres vanligvis en låsesløyfe for å deaktivere systemet når sikringspanelet åpnes. Disse tilleggskomponentene som muliggjør servicevennlighet representerer hver en mulighet for feil, noe som reduserer levetiden ytterligere. I tillegg, i høyspenningssystemer, kan en sikring kun skiftes ut av opplært, kvalifisert personell.

På samme måte styrer et relé eller en kontaktor strømmatingen til laster. Et relé har et lite spenningsfall over kontaktene selv ved høye strømmer, men de lider av degradering når de bytter til kapasitive belastninger og når de bryter induktive strømmer. Forladekretser som består av et relé og overspenningsmotstand brukes ofte til å lade nedstrøms kondensatorer til innenfor 20V av systemspenningen. Dette hindrer relé- eller kontaktorkontaktene i å sveises fast ved aktivering og fukter kontaktene for å minimere oksidasjon som ellers ville forårsake høyere motstand og effekttap. Til tross for dette opplever kontaktene fortsatt forringelse ved hver aktivering, som er en av de lange utslitningsmekanismene som reduserer levetiden. Mange DC-distribusjonssystemer som bruker kontaktorer eller releer med kapasitive belastninger inkluderer en høypresisjons spenningsmålekrets ved inngangen og utgangen for å sikre at spenningsdifferensialbetingelsen er oppfylt. Jo større feilen i spenningsmålingen er, desto høyere er potensialdifferansen over kontaktene og ytterligere degradering som til slutt reduserer levetiden deres. Når et relé eller en kontaktor slås av, skiller kontaktene seg og danner et luftgap mellom inngangs- og utgangskretsene. Dette betyr imidlertid ikke at de ikke er elektrisk tilkoblet. I mange tilfeller, når et relé åpner, fortsetter strømmen å flyte i en kort periode ved hjelp av en lysbue over luftgapet. Dette forringer kontaktene ytterligere.

Fordeler ved høyspennings E-sikring på systemnivå

Unøyaktigheten til en sikring, dens begrensning til én gangs bruk og mangelen på robusthet til et relé og en kontaktor er noen av grunnene til at designere ser til en elektronisk løsning, for eksempel E-Fuse. Mange ganger er pålitelighetsmålene hovedårsaken. Den forbedrede nøyaktigheten, integrasjonen, funksjonaliteten, tilbakestillingsevnen og systemets oppetid er blant de største fordelene med en e-sikring (E-Fuse). Hoveddriveren er imidlertid muligheten til å dramatisk øke systemets pålitelighet.

En e-sikring er en kontrollerbar og konfigurerbar elektronisk kretsbryterenhet. I 400V- og 800V-systemer er silisiumkarbid (SiC) den optimale krafthalvlederteknologien på grunn av dens høye gjennombruddspenning, lave på-motstand og høye varmeledningsevne. En e-sikring kan være en ensrettet halvlederbryter som blokkerer spenning og strøm i én retning, eller en toveis bryter som blokkerer spenning og strøm i begge retninger (f.eks. kilde-til-last og last-til-kilde). En e-sikring kombinerer funksjonaliteten til en sikring og et elektromekanisk relé, og kan inkludere tilleggsfunksjoner, slik som laststrømrapportering, som eliminerer behovet for en frittstående strømsensor i et system.

Den raske responstiden, som implementert i den SiC-baserte e-sikringsdemonstratoren fra Microchip i figur 1, begrenser kortslutningsstrømmene til bare noen få hundre ampere. Med en strømsensorkrets med bred båndbredde og ved bruk av standardinnstillingene, oppdager den en kortslutning på under 700 nanosekunder og fjerner en feil i området 1 til 6 mikrosekunder, avhengig av systeminduktansen. Trip-oppførselen definert av Time-Current Characteristic (TCC)-kurven i figur 2 kan konfigureres av programvare eller over Local Interconnect Network (LIN). TCC-kurven inkluderer tre deteksjonsmetoder: Estimering av overgangstemperatur, en analog-til-digital omformer (ADC) -basert strømsampling og en programvarekonfigurerbar deteksjonskrets i maskinvare.

Deteksjonskretsen i figur 3 inkluderer en shuntmotstand med Kelvin-følertilkoblinger for å gi en presis spenningsmåling, operasjonsforsterker med et høyt forsterknings-båndbreddeprodukt, rask komparator med en konfigurerbar referanse og Set-Reset (SR)-låser for å realisere en rask kortslutningsdeteksjon og -beskyttelse. For overbelastninger som ikke krever en umiddelbar respons, behandles strømfølersignalet av mikrokontrollerens ADC og fastvare. Designet inkluderer to driftsmoduser: Flankeutløst eller ride-through-modus. I flankeutløst modus utløser en overstrøm som overstiger terskelen en umiddelbar avstengning. I ride-through-modus driver en overstrøm umiddelbart SiC MOSFET-gaten til en lavere spenning for å forlenge motstandstiden mot kortslutning. Hvis overstrømmen vedvarer lenger enn den forhåndsdefinerte, konfigurerbare varigheten, slår SiC MOSFET seg av og avbryter kretsen. Men hvis strømmen faller under terskelen, drives MOSFET-gaten tilbake til full gate-drift.

Overlegen kortslutningsbeskyttelse

Figur 4 viser gjennomløpsstrømmen i en kortslutningstest med ladet kondensator med en tradisjonell 30A sikring og 30A e-sikringsdemonstrator. For å demonstrere den raske responstiden ble e-sikringen testet i en tøffere driftstilstand med seks ganger lavere kildeinduktans, noe som resulterer i en strømrampe som er seks ganger brattere enn den i sikringstesten. Selv under denne tilstanden toppet kortslutningsstrømmen kun 216A i e-sikringstesten, mens den tradisjonelle sikringen tillot en toppstrøm på 3,6 kA. Den totale feilklareringstiden var 672 ns med e-sikring og 276 µs med den tradisjonelle sikringen. Utover den raske feilrettingstiden som tillater en lav kortslutnings-Let-Through (LT)-strøm, er utslippsenergien hundrevis til tusenvis av ganger lavere enn en tradisjonell sikring. I denne testen var den tilsvarende gjennomstrømningsenergien til e-sikringen 406 mJ sammenlignet med 85 J med kretsen beskyttet av vanlig sikring. Denne dramatiske forskjellen i ytelse har potensialet til å forhindre at en defekt last blir en hard feil når den beskyttes med en e-sikring.

I tillegg ble DC-linkkapasitansen fullstendig utladet i sikringstesten. Med kretsen beskyttet av en e-sikring ble imidlertid den 450V DC-bussen redusert med bare 2V i mindre enn 200 ns. Dette er en viktig fordel ettersom det lar systemene fortsette å fungere uten bekymring for en enhetsfeil som forårsaker et fall eller frafall på DC-bussen. I mange systemer, der funksjonsfeil kan være farlige eller resultere i kostbar nedetid, gir en e-sikring et overlegent nivå av kretsbeskyttelse. Ved å oppsummere testresultatene, fjernet e-sikringen kortslutningsfeilen 300 ganger raskere med 16 ganger lavere gjennomstrømningsstrøm og 200 ganger lavere gjennomstrømningsenergi samtidig som den opprettholder en stabil DC-buss.

Som vist, tilbyr en SiC-basert e-sikring flere fordeler på systemnivå som ikke bare beskytter ledninger og belastninger mer effektivt enn tradisjonelle løsninger, men som også forenkler systemdesign og integrasjon av beskyttelse, kontroll og deteksjon. Etterspørselen etter halvledere med bredbåndsgap vil fortsette å øke ettersom elektrifiseringen av alt krever høyere spenning, høyere effektivitet og lavere svitsjetap. De elektriske systemene i disse applikasjonene drar nytte av en e-sikringsløsning ettersom den eliminerer designinnsats for å unngå begrensninger i vedlikehold og øker systemets oppetid, pålitelighet og sikkerhet.

Om forfatteren: Ehab Tarmoom er Senior Technical Staff Applications Engineer i Microchip Technologys Silicon Carbide Business Unit.