高速熔斷器，又叫半導(dǎo)體保險(xiǎn)絲，是開發(fā)應(yīng)用于半導(dǎo)體電路過流保護(hù)的器件，高速熔斷器能夠在10ms甚至更短時(shí)間響應(yīng)，從而起到更可靠的保護(hù)，本章通過對(duì)選型計(jì)算完整流程進(jìn)行展開，可以作為設(shè)計(jì)參考。

01

高速熔斷器額定電流計(jì)算

1. 工作負(fù)載電流IAL的計(jì)算：
   

高速熔斷器作為保護(hù)半導(dǎo)體的器件，通過其本體的電流可能是直流，也可能是交流，或者是脈沖電流，因此計(jì)算等效工作電流是熔斷器選型的第一步驟。

電流計(jì)算相對(duì)而言比較簡單，主要考慮I與t積分，因此可以借鑒普通保險(xiǎn)絲里面浪涌的積分公式。

公式為：

2. 高速熔斷器額定電流IN計(jì)算：
   

高速熔斷器額定電流的計(jì)算涉及因素比較多，通過不同參數(shù)的修正來確定熔斷器電流的適用性。

公式為：

其中，

FAT為環(huán)境溫度修正系數(shù)

環(huán)境溫度是熔斷器周邊的空氣溫度Ta，高速熔斷器工作溫度范圍為-50°C~125°C，規(guī)格定義的測(cè)試條件Tstd通常為25°C，因此環(huán)境溫度修正系數(shù)FAT為：

FFC為強(qiáng)制冷卻修正系數(shù)

功率器件由于結(jié)點(diǎn)溫度通常在150~175°C，超過結(jié)點(diǎn)溫度會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體過熱失效，因此對(duì)于發(fā)熱量比較大的應(yīng)用，通常會(huì)加強(qiáng)制冷卻。強(qiáng)制冷卻分為空氣冷卻與液體冷卻，是比較常用的散熱方式， 下圖為強(qiáng)制空氣冷卻修正曲線，橫坐標(biāo)為空氣速度，縱坐標(biāo)為修正系數(shù)，自然風(fēng)冷空氣流速為0m/s，作為基準(zhǔn)系數(shù)1。

FWR為配線連接系數(shù)

高速熔斷器通過線纜或匯流排連接，可以起到電流傳輸?shù)淖饔?，同時(shí)可以輔助散熱，其尺寸的大小直接影響到熔斷器端子的溫升，同時(shí)制約著熔斷器的載流能力。高速熔斷器的額定電流是根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC6026904中推薦的導(dǎo)體尺寸，所使用的銅導(dǎo)體電流密度應(yīng)在1A/mm2~1.6A/mm2之間，為便于計(jì)算，100%參考值設(shè)定為1.3A/mm2，小于該電流密度參考值的需要疊加降額系數(shù)，曲線如下。

FHZ為頻率修正系數(shù)

當(dāng)熔斷器工作于高頻狀態(tài)時(shí)，交變磁場(chǎng)會(huì)時(shí)電流匯聚于熔體的表面，即趨膚效應(yīng)或臨近效應(yīng)，此現(xiàn)象會(huì)引起熱阻的增大從而導(dǎo)致熱量增加，熔斷器溫升更高，此時(shí)熔斷器要進(jìn)行相應(yīng)降額使用，下圖為頻率修正系數(shù)作為參考，對(duì)于低頻60Hz以下，修正系數(shù)為1。

FSS為開關(guān)修正系數(shù)

電氣設(shè)備在通常情況下都會(huì)需要開關(guān)或啟停的操作，有些電氣設(shè)備或加軟啟來限制回路當(dāng)中的浪涌電流，有些設(shè)備沒有添加，而浪涌能量過大會(huì)引起熔斷器的老化，影響使用壽命，因此這里給出開關(guān)頻率修正系數(shù)作為參考，這個(gè)與普通保險(xiǎn)絲浪涌壽命計(jì)算有些類似，都是開關(guān)次數(shù)的問題。

FAL為海拔高度修正系數(shù)

海拔高度超過2000m時(shí)，由于熔斷器內(nèi)部的對(duì)流與輻射引起的散熱減少，其載流能力就需要相應(yīng)降額，一般行業(yè)慣例是超過2000m，沒上升100m，電流降額0.5%，因此降額公式為:

因此掌握了各個(gè)參數(shù)對(duì)于電流的影響，就可以計(jì)算出所需的熔斷器額定電流，這對(duì)于高速熔斷器正確選型很有幫助。熔斷器額定電流與電壓確定下來之后就可以挑選滿足指標(biāo)的熔斷器產(chǎn)品系列，確定好產(chǎn)品系列后，需要通過規(guī)格定義的參數(shù)來折算該熔斷器是否能夠起到保護(hù)半導(dǎo)體的作用，而參數(shù)的折算在上一篇文章半導(dǎo)體保險(xiǎn)絲已經(jīng)給出，這里把曲線換算復(fù)制過來作為參考(需要完整的參數(shù)解析可以參考上一篇文章)，從而得到完整的熔斷器選型與驗(yàn)證過程。

02

關(guān)鍵曲線解析

· 峰值允通電流曲線

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(guī)格為例，假設(shè)回路當(dāng)中故障電流為20kA，對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)A點(diǎn)，往上拉到200A斜線交叉B點(diǎn)，再往左拉到限流斜線交叉點(diǎn)C，從C往下拉到與橫坐標(biāo)交叉點(diǎn)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(hù)后級(jí)半導(dǎo)體器件。從曲線也可以看出，允通電流并不是一個(gè)固定值，隨著故障電流的增加，允通電流會(huì)相應(yīng)增大。

· 電弧電壓曲線

電弧電壓曲線橫坐標(biāo)為工作電壓，縱坐標(biāo)為電弧電壓，從下圖可以看出，對(duì)于200A熔斷器，在工作電壓500V時(shí)，電弧電壓達(dá)到1100V，因此半導(dǎo)體要選用1200V及以上較為合適。

· 完全熔斷I2t修正系數(shù)曲線

作為高速熔斷器，完全熔斷I2t值需小于半導(dǎo)體所能承受的最大I2t值，才能起到可靠保護(hù)作用。完全熔斷I2t修正系數(shù)曲線的目的在于對(duì)小于額定工作電壓的工況下，提供修正系數(shù)，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(yīng)下降，此系數(shù)可以預(yù)估熔斷器在不同實(shí)際工況電壓下能達(dá)到的熔斷能力I2t值，從而確保半導(dǎo)體在各種電壓狀態(tài)下都能得到可靠保護(hù)。

· 功率損耗修正系數(shù)曲線

從熔斷器設(shè)計(jì)的角度來說，通常會(huì)選擇電流降額來保證其長期可靠性，70%左右降額相對(duì)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(shè)計(jì)薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)于不同工作電流下，熔斷器整體電阻會(huì)有變化，從降額曲線也可以看出，在電流減小時(shí)，其功率損耗值降幅要比電流降幅大，例如在額定電流80%，對(duì)應(yīng)功耗為55%，從功耗為I2R公式來看，也從側(cè)面反映了工作電流下降會(huì)帶來阻值的下降，此時(shí)阻抗為滿載狀態(tài)下的86%。

高速熔斷器作為唯一可以保護(hù)半導(dǎo)體的熔斷器，其工作特性方方面面都要考慮到半導(dǎo)體的耐受能力，相對(duì)而言是計(jì)算選型比較復(fù)雜的熔斷器，本篇文章通過熔斷器周邊因素來計(jì)算符合要求的熔斷器額定電流，通過額定電流與電壓來初步選定符合要求的高速熔斷器系列，再通過熔斷器規(guī)格定義的參數(shù)曲線反向驗(yàn)證熔斷器能否起到保護(hù)半導(dǎo)體的作用，簡而言之就是計(jì)算與驗(yàn)證結(jié)合的方式來選定最優(yōu)產(chǎn)品，可以作為研發(fā)的半導(dǎo)體保險(xiǎn)絲選型參考。