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[導讀]各種應用中不斷提高系統(tǒng)效率和功率密度的趨勢導致了更高的直流系統(tǒng)電壓。然而，傳統(tǒng)的電路保護解決方案不足以有效保護這些高壓配電系統(tǒng)，同時保持高可靠性和安全性。

各種應用中不斷提高系統(tǒng)效率和功率密度的趨勢導致了更高的直流系統(tǒng)電壓。然而，傳統(tǒng)的電路保護解決方案不足以有效保護這些高壓配電系統(tǒng)，同時保持高可靠性和安全性。

固態(tài)斷路器 (SSCB) 和電熔斷器由于其眾多優(yōu)點，特別是低允通電流和能量，現(xiàn)已被集成到設計中。此外，基于碳化硅的固態(tài)解決方案與直流熔斷器的比較表明，允通電流和能量顯著降低，電弧和電弧閃光的危險也減少。

固態(tài)解決方案的優(yōu)點

高壓配電系統(tǒng)通常從電網(wǎng)、儲能系統(tǒng) (ESS)或可再生能源等來源接收電力。這些系統(tǒng)通常包括電力電子轉換器，可有效地將輸入功率轉換為下游負載的穩(wěn)壓直流總線電壓。這些系統(tǒng)中的布線范圍從幾米到幾千米，會引入寄生線路和總線電感，從而影響電路保護器件的性能。

固態(tài)解決方案提供了優(yōu)于傳統(tǒng)接觸器和繼電器的快速響應時間，傳統(tǒng)接觸器和繼電器由于負載斷開期間系統(tǒng)電感引起的電弧而存在可靠性問題。電弧會降低接觸器部件的性能，從而顯著縮短其使用壽命。

圖 1 顯示了在負載下斷開 400V 直流系統(tǒng)相關的飛弧時間。固態(tài)解決方案可以在微秒內(nèi)中斷高短路電流，比傳統(tǒng)解決方案中形成小電弧所需的最短時間快得多( 4 ms，如圖 1 所示的情況)。

圖 1：400V DC 斷開后電弧形成

在高壓應用中，安全至關重要。例如，在使用高壓鋰電池的系統(tǒng)(例如 ESS 和EV)中，放電和電弧會帶來重大的安全風險。這些可能會引發(fā)熱失控事件，這是危險的并且可能是災難性的?？焖夙憫娐分袛嘌b置可以將短路電流限制在幾百安培，大大減少維持電弧閃光事件所需的高電弧電流，從而增強系統(tǒng)安全性。

測試設置

為了評估短路性能，設置了適當?shù)碾娐?更多詳細信息請參閱參考資料)。它由高壓直流電源、線路阻抗網(wǎng)絡、總線阻抗網(wǎng)絡、被測設備(DUT)和機電繼電器組成。這些組件模擬直流電源和下游配電系統(tǒng)之間的阻抗。高壓差分電壓探頭和羅氏線圈分別測量線路電壓、母線電壓和短路電流。測試電路中存儲的能量經(jīng)計算為 113.4 J。

DUT 可在傳統(tǒng)保險絲和 SSCB 原型之間互換。

一旦電容器 C LINE和 C BUS在測試開始時充電至 450 V，就從測試電路上拔下直流電源。當 DUT 配備典型的保險絲時，繼電器觸點閉合以提供短路連接。當 DUT 是 E-Fuse 板時，繼電器會被繞過，因為使用通過本地互連網(wǎng)絡 (LIN) 傳輸?shù)拇忻罴せ罾^電器以創(chuàng)建短路。

該研究在模擬高壓直流系統(tǒng)中比較了這兩種類型的設備。該實驗測量了模擬故障期間的清除時間、峰值電流、電壓暫降和允通能量等因素。

保險絲測試與模擬

使用帶有傳統(tǒng) 20A 快速熔斷保險絲的測試設置，短路測試結果(圖 2)顯示清除時間為 276 μs，峰值總線電流為 3,590 A。電容完全放電，產(chǎn)生負電壓(總線電壓降至 –110 V)線路和總線電壓節(jié)點上，這是由于測試前電源斷開造成的偽影。峰值功率達到963kW，能量為85.4J。