高速ヒューズは、単に標準の工業用ヒューズの高速バージョンではありません。-これは、半導体の熱耐性という 1 つの制約に基づいて構築された、根本的に異なるデバイスです。一般的な UL- クラスのヒューズが半サイクル (8 ～ 10 ミリ秒) で障害を解決できるのに対し、高速ヒューズは 2 ミリ秒未満、多くの場合 1 ミリ秒以内に遮断すると予想されます。これは、ヒューズが保護する IGBT またはダイオードがシリコン格子を破壊することなくそれ以上の衝撃を吸収できないためです。
区別は融解エネルギー、つまり I²t から始まります。モーター回路用の 400A 標準ヒューズの溶断 I²t は約 80,000 A²s です。同じ物理的設置面積の 400A 高速ヒューズが 12,000 A² を超えることはほとんどありません。-この 6 分の 1 の削減は、ヒューズ エレメント自体によるものです。-通常は、錫メッキの銅線ではなく、複数のノッチを備えた純銀のリボンです。{11}}銀は酸化が少ないですが、さらに重要なのは、その熱伝導率が高いため、熱がリボンに沿って急速に広がり、急速に溶けるということは直観に反しているように思えます。秘訣はノッチの形状にあります。各ノッチによりホットスポットが形成され、10 倍の定格電流で約 200 μs 以内に溶融温度に達しますが、リボンの残りの部分は冷たいままです。この場合、エレメントは 1 点だけでなく複数の点で同時に分割され、アーク電圧がより速く上昇します。
電気バス用の 150 kW トラクション インバーターを考えてみましょう。 DC リンク コンデンサ バンクは、750 V に充電された 2,500 µF を保持します。 IGBT がショートした場合、そのコンデンサだけからの放電電流は 5 μs の立ち上がり時間で 40 kA に達する可能性があります。標準的なヒューズでは、開く前にその電流が 60 kA にピークに達し、コンデンサの内部フォイルが蒸発してモジュール全体が蒸発してしまいます。適切に調整されたアーク電圧を備えた高速ヒューズは、ピーク値 12 kA にクランプし、800 μs で障害を解消します。リップル電流定格をわずかに超える可能性がありますが、コンデンサは存続します。この例は理論的なものではありません。-大手バス メーカーは、フィールド テストで 3 台のインバータを失った後、高速ヒューズに切り替えました。-各交換にはヒューズ自体の 200 倍の費用がかかりました。
アーク動作は、高速ヒューズが低速ヒューズと最も異なる点です。{0}}標準的なヒューズでは、アークは数ミリ秒間燃え続け、アーク電圧は通常、システム電圧の 1.5 ～ 2 倍になります。これにより、AC システムでは自然にゼロクロスするまで電流が流れ続けることができます。しかし、DC 回路ではゼロクロスがないため、ヒューズは電源電圧よりも高いアーク電圧を生成して電流を強制的に下げる必要があります。高速ヒューズは、アークエネルギーを吸収して何百もの小さなくびれを作り出す高密度の石英砂フィラーを使用し、アーク発生中に定格電圧の 3.5 ～ 4 倍の電圧を達成します。その砂は普通のシリカではありません。粒径は通常 0.2 ～ 0.3 mm に制御されており、比水分含量は 0.5% 未満です。あるサプライヤーの内部テストでは、粒径を 0.2 mm から 0.4 mm に増やすと、アーク電圧が 18% 上昇しましたが、エレメントの周囲に詰められた砂の密度が低くなるため、除去時間も 2 倍になったことがわかりました。このトレードオフにより、電圧能力と速度の間で慎重なバランスが求められます。-
高速ヒューズの定格電流も欺瞞的です。- 100A モデルは、迷惑な溶断なしに 120A を無期限に流すことができますが、200A での溶断時間はわずか 5 秒です。-200A を 30 秒間保持できる同等の標準ヒューズよりもはるかに短いです。この特性により、通常は無害な突入電流に敏感になります。たとえば、150A 高速ヒューズを備えた溶接電源では、コンデンサの初期充電中に迷惑なトリップが発生し、1.2 秒間で 180A が消費されました。定常電流が 150A に達しなかったにもかかわらず、ヒューズが溶断 I²t を超えたためヒューズが開きました。-。解決策は、より大きなヒューズではなく、突入電流を 500 ms で 120A に制限するプリチャージ抵抗でした。この種のシステムレベル調整は一般的です。-高速ヒューズを使用すると、設計者は定常負荷だけでなくあらゆる過渡状態を考慮する必要があります。
あまり議論されないもう 1 つの側面は、周囲温度が浄化性能に及ぼす影響です。高速ヒューズの素子は非常に薄いため、その抵抗は温度によって著しく変化します。 -40 度では、銀の抵抗率は 25 度に比べて約 12% 低下するため、実際には溶融 I²t が増加します。つまり、非常に寒い条件ではヒューズが開くまでにわずかに時間がかかります。北部の気候に設置された太陽光結合ボックスでは、その変動により、同じ故障電流の解消時間に 20% のばらつきが生じました。設計者は、コールド スタート時に逆極性イベントが発生してもヒューズがダイオードを確実に保護できるように、ヒューズの定格を 10% 下げる必要がありました。このディレーティングは標準的なルールではありません。これは、ほとんどのデータシートでは省略されている経験的な曲線に基づいています。
高速ヒューズも、繰り返しのサージ電流の下では寿命が限られています。-要素を溶解しない各サージは依然としてノッチに歪みを与え、応力集中の周囲に微小な亀裂を生じさせます。-。太陽光発電インバーターは、雲-で定格 2 倍の 50 ミリ秒の電流スパイクを毎日受けると、ヒューズの溶断 I²t が年間 5% ずつ下方にドリフトする可能性があります。 3 年後には、ヒューズが元々耐えていたサージでヒューズが開く可能性があります。 1 MW 発電所の現場データによると、高速ヒューズを 18 か月ごとに交換すると、ヒューズが電気的に損傷していないにもかかわらず、迷惑な故障が 70% 減少することがわかりました。-そのメンテナンス間隔はどのマニュアルにも記載されていませんでした。これは、2 シーズンにわたるすべての旅行イベントを記録することから生まれました。
高速ヒューズの選択は、決して速度だけを重視するものではありません。-これは、ヒューズのアーク電圧、回路のインダクタンス、半導体の安全動作領域の間の相互作用に関するものです。遅いヒューズはケーブルを保護しますが、トランジスタが爆発する可能性があります。高速ヒューズはトランジスタを保護する可能性がありますが、モーターが始動するたびにトリップします。正しい選択には、ロゴスキー コイルを使用して実際の故障電流波形を測定し、ヒューズの I²t 曲線をデバイスの耐力曲線に一致させ、少なくとも 30% のマージンを残す必要があります。そのマージンが 10% しかない設計を見たことがありますが、6 か月のエージング後、ヒューズと IGBT の両方が同時に故障しました。{7}}シリコンが短絡したまさにその瞬間にヒューズが開きましたが、アーク エネルギーはまだダイをクラックするのに十分な時間がありました。この事例から、ヒューズの解除時間は半導体の短絡耐時間よりも短くなければならないが、-通過 I²t の合計もデバイスの臨界エネルギーを下回る必要があることがわかりました。- 2 つの異なる制約と 1 つのヒューズ。
実際には、高速ヒューズは AC と DC で別々に定格されており、AC 500V 定格は DC 500V には変換されません。- DC では、ヒューズがソースを克服するのに十分な逆起電力を生成した場合にのみアークが消えます。そのためには、より長いエレメント長とより多くの砂が必要になります。{4}} 500V DC 高速ヒューズは、多くの場合、同じ電流に対して AC 対応品の本体の長さの 2 倍になります。-これは、100A AC 高速ヒューズが 30 ドルかかるのに対し、DC バージョンは 80 ドル以上かかる理由を説明しています。-製造の複雑さと銀の含有量の両方が増加します。しかし、多くの鉄道補助システムでは、1 回のショートで牽引車両全体が何時間も停止する可能性があり、ヒューズのコストがダウンタイムに比べて無視できるため、ためらうことなく DC バージョンが使用されています。最終的には、技術的な優れた点だけでなく、その経済的現実が高速ヒューズの採用を推進します。これらは予防的な投資であり、その価値は部品表ではなく、決して発生しない保証請求に現れます。