半導體保險絲—一種暗藏諸多門道的熔斷器

作者：Littelfuse客戶經理Rambo Liu

保險絲選型在之前文章有介紹過，選型主要依據為工作電流、工作電壓、環境溫度、浪涌電流以及分斷能力，相對而言比較簡單一些，方法同樣適用于工業熔斷器。在熔斷器類目中還有一種特殊的產品，叫高速熔斷器，又叫半導體保險絲，是開發應用于半導體電路過流保護的器件，具有專門設計的元件外形輪廓和主體結構，可以限制回路中的允通能量、峰值電流、電弧電壓等，與普通工業熔斷器不同，高速熔斷器沒有增加延時功能，能夠在10ms甚至更短時間響應，從而起到更可靠的保護。

高速熔斷器又分為全范圍gR高速熔斷器與aR部分范圍高速熔斷器，其中全范圍熔斷器可以對過載與短路起到保護，而部分范圍熔斷器僅對短路提供保護。

高速熔斷器結構

高速熔斷器的設計和結構及其尺寸和端接均獨一無二。這樣做是為了避免將這些熔斷器誤用于本領域的任何其他普通工業應用中。高速熔斷器結構采用高等級材料，下面予以說明。

元件：

高速熔斷器包含一個或多個電流敏感元件。每個元件在一點或多點處橫截面減小。在每個元件中，減小的橫截面提供被測電阻。每個元件的電阻和每個熔斷器中使用的元件數量通常決定了熔斷器的額定電流。高速熔斷器包含由銀、鍍銀銅、銅或其他合適材料制成的元件。

主體材質：

高速熔斷器中使用的最常用主體材料是玻璃增強三聚氰胺和高等級陶瓷。玻璃三聚氰胺堅固且防斷裂，而陶瓷具有較高的散熱和耐高溫能力。

安裝端子：

典型的高速熔斷器端子由銅合金材料組成。一些額定電流較小的高速熔斷器由拉制黃銅制成，旨在正確釋放應力。這些熔斷器的端子通常也進行鍍覆，以減少腐蝕并提供小電阻連接。

填充物材料：

高速熔斷器含有填充物，填充物主要用于消除電流分斷期間產生的電弧放電。采用高等級石英硅石晶體填充材料有助于提高熔斷器的限流能力。此外，填充物有助于維持熔斷器內的熱量平衡，同時使元件具有穩定性。這種穩定性允許采用較小元件橫截面，從而提高了短路性能。

高速熔斷器產品系列如下

產品電壓范圍從150V到1500V，覆蓋相對比較完整，對于高可靠性要求應用比較適用，同時也能滿足大多數新能源1000-1500V發展需求。

熔斷器工作模式

斷器在過流或短路發生時內部的可熔元件會熔化，此熔體通過設計制造薄弱環節，當電流流過熔體時會產生熱量，正常工作電流時會達到熱平衡，當過流或短路發生時，發熱量超過散熱量，導致熔體溫度上升，達到熔體熔點(銅1085°C，銀962°C)時，薄弱環節開始熔化斷裂，從而切斷電路電流。

在發生短路時，熔體熔化分斷，此時熔體氣化產生電離導通路徑，回路阻抗增加，電路主電壓加到薄弱環節產生電弧，熔斷器內部填充石英砂石用以熄滅電弧，如下為熔斷器保護動作電壓與電流曲線。熔斷器保護過程可以分為熔化時間與電弧放電時間，兩個時間之和稱為熔斷時間。

從上圖可以看到熔化時間內，由于熔體熔化阻抗增加，此時熔斷器兩端電壓急劇上升，同時由于熔斷器的限流能力，保證了熔斷器過流小于允通電流峰值。在電弧放電時間，電弧放電電流由于熔體氣化阻抗增加，電流開始下降，此時電弧電壓超過回路工作電壓，因此熔斷器的電弧電壓限制也至關重要，此電壓要小于回路半導體的耐受電壓，在電弧放電結束后，熔斷器處于分斷狀態，回路電流清零，電壓為回路工作電壓。

高速熔斷器特性曲線

不同于普通熔斷器，高速熔斷器給出了更多的特性曲線，為半導體產品過流保護的設計提供更多參考，以L70QS系列為例。

·時間電流曲線

時間電流曲線是普通保險絲與半導體保險絲都會給出的參考曲線，其中橫坐標為故障電流，縱坐標為熔化時間，旨在給出故障電流狀態下熔斷器起到保護所需的時間，作為產品設計與選型參考。

另外從曲線可以看出，L70QS屬于部分保護半導體保險絲，在低倍過載時采用虛線表示，以125A產品為例，如下紅色區域為不安全區域，在小過電流情況下應用高速熔斷器時存在很大熱風險，因此不建議在此虛線區內進行操作。

·溫度降額曲線

溫度降額曲線是比較典型的參數，在普通工業熔斷器與高速熔斷器規格里面都會給出參考，由于工作環境溫度的變化，其保持熱平衡的承載電流能力也隨之變化，隨著環境溫度的降低，其帶載能力提升，反之，環境溫度上升，電流要有一定的降額。

· 峰值允通電流曲線

峰值允通電流表示在故障狀態下，完全熔斷期間通過熔斷器的最大電流，表示熔斷器的限流能力，下圖非常直觀給出熔化時間、電弧放電時間電流變化過程，可見沒有熔斷器的話，其峰值電流降非常大，灰色陰影部分為無限流時的能量。

峰值允通電流曲線的使用方法如下圖所示，采用上下回折的方式查看，以200A規格為例，假設回路當中故障電流為20kA，對應橫坐標A點，往上拉到200A斜線交叉B點，再往左拉到限流斜線交叉點C，從C往下拉到與橫坐標交叉點D為2400A，因此在故障電流20kA下，200A熔斷器允通電流降至2400A，將近10倍的限流能力能夠更好保護后級半導體器件。從曲線也可以看出，允通電流并不是一個固定值，隨著故障電流的增加，允通電流會相應增大。

·電弧電壓曲線

電弧電壓是在熔斷器電弧放電時施加在其本體上的瞬間電壓，影響峰值電弧電壓的因數包括額定電壓與功率因數，在電弧放電過程中產生的電弧電壓將以串聯的形式與回路工作電壓疊加，此電壓超過工作電壓，最終施加到回路當中半導體開關器件，因此電弧電壓的限制對于半導體保護至關重要。

電弧電壓曲線橫坐標為工作電壓，縱坐標為電弧電壓，從下圖可以看出，對于200A熔斷器，在工作電壓500V時，電弧電壓達到1100V，因此半導體要選用1200V及以上較為合適。

· 完全熔斷I2t修正系數曲線

作為高速熔斷器，完全熔斷I2t值需小于半導體所能承受的最大I2t值，才能起到可靠保護作用。完全熔斷I2t修正系數曲線的目的在于對小于額定工作電壓的工況下，提供修正系數，從而為其熔斷能力I2t提供參考，從曲線可以看出，隨著工作電壓降低，其熔斷能力I2t相應下降，此系數可以預估熔斷器在不同實際工況電壓下能達到的熔斷能力I2t值，從而確保半導體在各種電壓狀態下都能得到可靠保護。

· 功率損耗修正系數曲線

從熔斷器設計的角度來說，通常會選擇電流降額來保證其長期可靠性，70%左右降額相對比較通用一些，另外熔斷器損耗在正常工況下等效于電阻，考慮其設計薄弱環節，對于不同工作電流下，熔斷器整體電阻會有變化，從降額曲線也可以看出，在電流減小時，其功率損耗值降幅要比電流降幅大，例如在額定電流80%，對應功耗為55%，從功耗為I2R公式來看，也從側面反映了工作電流下降會帶來阻值的下降，此時阻抗為滿載狀態下的86%。

高速熔斷器作為唯一可以保護半導體的熔斷器，其工作特性方方面面都要考慮到半導體的耐受能力，相對而言是計算選型比較復雜的熔斷器，掌握了規格書給出的工作曲線也就掌握了一大半的高速熔斷器選型方法，看似簡單的一個過流保護器件，其中也暗藏了諸多門道。

審核編輯：湯梓紅