[技术浅谈 TechTalk] 半导体保险丝—一种暗藏诸多门道的熔断器

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技术浅谈

Techtalk

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作者：Littelfuse客户经理Rambo Liu

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保险丝选型在之前文章有介绍过，选型主要依据为工作电流、工作电压、环境温度、浪涌电流以及分断能力，相对而言比较简单一些，方法同样适用于工业熔断器。在熔断器类目中还有一种特殊的产品，叫高速熔断器，又叫半导体保险丝，是开发应用于半导体电路过流保护的器件，具有专门设计的元件外形轮廓和主体结构，可以限制回路中的允通能量、峰值电流、电弧电压等，与普通工业熔断器不同，高速熔断器没有增加延时功能，能够在10ms甚至更短时间响应，从而起到更可靠的保护。

高速熔断器又分为全范围gR高速熔断器与aR部分范围高速熔断器，其中全范围熔断器可以对过载与短路起到保护，而部分范围熔断器仅对短路提供保护。

高速熔断器结构

高速熔断器的设计和结构及其尺寸和端接均独一无二。这样做是为了避免将这些熔断器误用于本领域的任何其他普通工业应用中。高速熔断器结构采用高等级材料，下面予以说明。

元件：

高速熔断器包含一个或多个电流敏感元件。每个元件在一点或多点处横截面减小。在每个元件中，减小的横截面提供被测电阻。每个元件的电阻和每个熔断器中使用的元件数量通常决定了熔断器的额定电流。高速熔断器包含由银、镀银铜、铜或其他合适材料制成的元件。

主体材质：

高速熔断器中使用的最常用主体材料是玻璃增强三聚氰胺和高等级陶瓷。玻璃三聚氰胺坚固且防断裂，而陶瓷具有较高的散热和耐高温能力。

安装端子：

典型的高速熔断器端子由铜合金材料组成。一些额定电流较小的高速熔断器由拉制黄铜制成，旨在正确释放应力。这些熔断器的端子通常也进行镀覆，以减少腐蚀并提供小电阻连接。

填充物材料：

高速熔断器含有填充物，填充物主要用于消除电流分断期间产生的电弧放电。采用高等级石英硅石晶体填充材料有助于提高熔断器的限流能力。此外，填充物有助于维持熔断器内的热量平衡，同时使元件具有稳定性。这种稳定性允许采用较小元件横截面，从而提高了短路性能。

高速熔断器产品系列如下

产品电压范围从150V到1500V，覆盖相对比较完整，对于高可靠性要求应用比较适用，同时也能满足大多数新能源1000-1500V发展需求。

熔断器工作模式

断器在过流或短路发生时内部的可熔元件会熔化，此熔体通过设计制造薄弱环节，当电流流过熔体时会产生热量，正常工作电流时会达到热平衡，当过流或短路发生时，发热量超过散热量，导致熔体温度上升，达到熔体熔点(铜1085°C，银962°C)时，薄弱环节开始熔化断裂，从而切断电路电流。

在发生短路时，熔体熔化分断，此时熔体气化产生电离导通路径，回路阻抗增加，电路主电压加到薄弱环节产生电弧，熔断器内部填充石英砂石用以熄灭电弧，如下为熔断器保护动作电压与电流曲线。熔断器保护过程可以分为熔化时间与电弧放电时间，两个时间之和称为熔断时间。

从上图可以看到熔化时间内，由于熔体熔化阻抗增加，此时熔断器两端电压急剧上升，同时由于熔断器的限流能力，保证了熔断器过流小于允通电流峰值。在电弧放电时间，电弧放电电流由于熔体气化阻抗增加，电流开始下降，此时电弧电压超过回路工作电压，因此熔断器的电弧电压限制也至关重要，此电压要小于回路半导体的耐受电压，在电弧放电结束后，熔断器处于分断状态，回路电流清零，电压为回路工作电压。

高速熔断器特性曲线

不同于普通熔断器，高速熔断器给出了更多的特性曲线，为半导体产品过流保护的设计提供更多参考，以L70QS系列为例。

·时间电流曲线

时间电流曲线是普通保险丝与半导体保险丝都会给出的参考曲线，其中横坐标为故障电流，纵坐标为熔化时间，旨在给出故障电流状态下熔断器起到保护所需的时间，作为产品设计与选型参考。

另外从曲线可以看出，L70QS属于部分保护半导体保险丝，在低倍过载时采用虚线表示，以125A产品为例，如下红色区域为不安全区域，在小过电流情况下应用高速熔断器时存在很大热风险，因此不建议在此虚线区内进行操作。

·温度降额曲线

温度降额曲线是比较典型的参数，在普通工业熔断器与高速熔断器规格里面都会给出参考，由于工作环境温度的变化，其保持热平衡的承载电流能力也随之变化，随着环境温度的降低，其带载能力提升，反之，环境温度上升，电流要有一定的降额。

· 峰值允通电流曲线

峰值允通电流表示在故障状态下，完全熔断期间通过熔断器的最大电流，表示熔断器的限流能力，下图非常直观给出熔化时间、电弧放电时间电流变化过程，可见没有熔断器的话，其峰值电流降非常大，灰色阴影部分为无限流时的能量。

峰值允通电流曲线的使用方法如下图所示，采用上下回折的方式查看，以200A规格为例，假设回路当中故障电流为20kA，对应横坐标A点，往上拉到200A斜线交叉B点，再往左拉到限流斜线交叉点C，从C往下拉到与横坐标交叉点D为2400A，因此在故障电流20kA下，200A熔断器允通电流降至2400A，将近10倍的限流能力能够更好保护后级半导体器件。从曲线也可以看出，允通电流并不是一个固定值，随着故障电流的增加，允通电流会相应增大。

·电弧电压曲线

电弧电压是在熔断器电弧放电时施加在其本体上的瞬间电压，影响峰值电弧电压的因数包括额定电压与功率因数，在电弧放电过程中产生的电弧电压将以串联的形式与回路工作电压叠加，此电压超过工作电压，最终施加到回路当中半导体开关器件，因此电弧电压的限制对于半导体保护至关重要。

电弧电压曲线横坐标为工作电压，纵坐标为电弧电压，从下图可以看出，对于200A熔断器，在工作电压500V时，电弧电压达到1100V，因此半导体要选用1200V及以上较为合适。

· 完全熔断I2t修正系数曲线

作为高速熔断器，完全熔断I2t值需小于半导体所能承受的最大I2t值，才能起到可靠保护作用。完全熔断I2t修正系数曲线的目的在于对小于额定工作电压的工况下，提供修正系数，从而为其熔断能力I2t提供参考，从曲线可以看出，随着工作电压降低，其熔断能力I2t相应下降，此系数可以预估熔断器在不同实际工况电压下能达到的熔断能力I2t值，从而确保半导体在各种电压状态下都能得到可靠保护。

· 功率损耗修正系数曲线

从熔断器设计的角度来说，通常会选择电流降额来保证其长期可靠性，70%左右降额相对比较通用一些，另外熔断器损耗在正常工况下等效于电阻，考虑其设计薄弱环节，对于不同工作电流下，熔断器整体电阻会有变化，从降额曲线也可以看出，在电流减小时，其功率损耗值降幅要比电流降幅大，例如在额定电流80%，对应功耗为55%，从功耗为I2R公式来看，也从侧面反映了工作电流下降会带来阻值的下降，此时阻抗为满载状态下的86%。

高速熔断器作为唯一可以保护半导体的熔断器，其工作特性方方面面都要考虑到半导体的耐受能力，相对而言是计算选型比较复杂的熔断器，掌握了规格书给出的工作曲线也就掌握了一大半的高速熔断器选型方法，看似简单的一个过流保护器件，其中也暗藏了诸多门道。

参考来源：Littelfuse Power Speed Technical Application Guide