半導體保險絲/高速熔斷器選型指導

高速熔斷器額定電流計算

1. 工作負載電流IAL的計算

高速熔斷器作為保護半導體的器件，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，因此計算等效工作電流是熔斷器選型的第一步驟。

電流計算相對而言比較簡單，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計算

高速熔斷器額定電流的計算涉及因素比較多，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為強制冷卻修正系數(shù)

功率器件由于結(jié)點溫度通常在150~175°C，超過結(jié)點溫度會導致半導體過熱失效，因此對于發(fā)熱量比較大的應用，通常會加強制冷卻。強制冷卻分為空氣冷卻與液體冷卻，是比較常用的散熱方式， 下圖為強制空氣冷卻修正曲線，橫坐標為空氣速度，縱坐標為修正系數(shù)，自然風冷空氣流速為0m/s，作為基準系數(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)國際標準IEC6026904中推薦的導體尺寸，所使用的銅導體電流密度應在1A/mm2~1.6A/mm2之間，為便于計算，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)

當熔斷器工作于高頻狀態(tài)時，交變磁場會時電流匯聚于熔體的表面，即趨膚效應或臨近效應，此現(xiàn)象會引起熱阻的增大從而導致熱量增加，熔斷器溫升更高，此時熔斷器要進行相應降額使用，下圖為頻率修正系數(shù)作為參考，對于低頻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中的浪涌電流，有些設(shè)備沒有添加，而浪涌能量過大會引起熔斷器的老化，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，這個與普通保險絲浪涌壽命計算有些類似，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，由于熔斷器內(nèi)部的對流與輻射引起的散熱減少，其載流能力就需要相應降額，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:

因此掌握了各個參數(shù)對于電流的影響，就可以計算出所需的熔斷器額定電流，這對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半導體的作用，而參數(shù)的折算在上一篇文章半導體保險絲已經(jīng)給出，這里把曲線換算復制過來作為參考(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證過程。

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(shù)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(shù)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(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相應下降，此系數(shù)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(tài)下都能得到可靠保護。

功率損耗修正系數(shù)曲線

從熔斷器設(shè)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(shè)計薄弱環(huán)節(jié)，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(cè)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(tài)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，本篇文章通過熔斷器周邊因素來計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)曲線反向驗證熔斷器能否起到保護半導體的作用，簡而言之就是計算與驗證結(jié)合的方式來選定最優(yōu)產(chǎn)品，可以作為研發(fā)的半導體保險絲選型參考。