Artykuł dla ELEKTROSYSTEMÓW
Zabezpieczanie półprzewodnikowych elementów energoelektronicznych nowoczesnymi
wkładkami topikowymi o charakterystyce ultraszybkiej Ultra-Quick firmy
ETI - Polam
Prawidłowy dobór bezpiecznika topikowego w celu zabezpieczenia urządzenia
energoelektronicznego elementów półprzewodnikowych wymaga zarówno dokładnej analizy
układu, jak i znajomości danych katalogowych jego elementów półprzewodnikowych i
bezpieczników (charakterystyk czasowo-prądowych i energetycznych, przebiegów itp.) oraz
wymaganych ich wzajemnych relacji.
Celem niniejszego artykułu jest wyjaśnienie użytkownikom urządzeń energoelektronicznych
niektórych wątpliwości dotyczących techniki zabezpieczania półprzewodników wkładkami
topikowymi. Z wątpliwościami takimi autor artykułu spotyka się często podczas konferencji
tematycznych, targów lub prezentacji wyrobów firmy ETI-Polam.
Roman KÅ‚opocki
Temperatura złącza p-n tyrystora podczas jego obciążenia zależy od wartości przewodzonego
prądu. Przy przeciążeniu takiego elementu półprzewodnikowego wzrasta temperatura złącza,
a więc zmniejsza się zdolność blokowania tyrystora. Bramka może utracić zdolność
sterowania tyrystorem. Zbyt duży przyrost temperatury złącza powoduje natychmiastowe
uszkodzenie tyrystora. Przyczyną dużego wzrostu prądu przewodzonego przez tyrystor mogą
być jego zakłócenia wewnętrzne np. utrata zdolności blokowania, oraz zakłócenia
zewnętrzne, np. zwarcie lub przeciążenie na zaciskach wyjściowych przekształtnika ( rys. 1).
1
Rys.1
Podczas utraty zdolności blokowania tyrystora występuje zwarcie międzyfazowe po stronie
wtórnej transformatora układu. Następuje bardzo szybki wzrost prądu przewodzenia tyrystora,
ograniczony tylko reaktancjÄ… rozproszenia transformatora. Zabezpieczenie przed
zniszczeniem tyrystorów w drugiej fazie, przez które również płynie prąd zwarciowy,
wymaga ograniczenia tego prądu w ciągu jednego półokresu ( 0,01 s).
W tym celu szeregowo z tyrystorami włącza się bezpieczniki o charakterystyce ultraszybkiej
pełno zakresowej gR i nie pełno zakresowej aR. W układach zawierających kilka lub
kilkanaście tyrystorów połączonych równolegle stosuje się indywidualne bezpieczniki dla
każdego tyrystora. Pozwala to zwiększyć pewność pracy, gdyż w razie uszkodzenia jednego
tyrystora jego bezpiecznik spowoduje przerwanie prądu zwarciowego, a to umożliwi dalszą
pracę układu. Przez tyrystory połączone w drugim biegunie również płynie prąd zwarciowy,
ale bezpieczniki nie zadziałają ze względu rozpływ tego prądu na większą liczbę połączeń
równoległych. Jednak najtrudniejsze warunki pracy układu wystąpią wówczas, gdy wszystkie
tyrystory w gałęzi równoległej jednocześnie utracą zdolność blokowania. Bezpieczniki
ultraszybkie powinny wtedy tak ograniczać prąd zwarciowy, aby nie nastąpiło uszkodzenie
pozostałych tyrystorów w wyniku gwałtownego wzrostu temperatury złącza. Ochronę układu
od skutków zwarć zewnętrznych mogą również zapewnić wyłączniki szybkie włączone po
stronie prądu stałego. Należy jednak pamiętać o odpowiedniej koordynacji zabezpieczeń
dobranej w taki sposób, aby zakłócenia zewnętrzne nie powodowały zadziałania
bezpieczników topikowych. Można to osiągnąć poprzez dostosowanie charakterystyk
poszczególnych elementów ochrony przeciążeniowej do charakterystyki chronionych
tyrystorów i odpowiednie ich skoordynowanie.
Rys. 2
2
Na rys. 2 przedstawiono charakterystyki prÄ…dowo-czasowe tyrystora, bezpiecznika i
wyłącznika. Krzywą 1, która podaje przeciążalność tyrystora w funkcji czasu, wyznacza się
na podstawie jego danych katalogowych . Krzywa 2 określa charakterystykę prądowo-
czasową zadziałania bezpiecznika ultraszybkiego. Skuteczną ochronę tyrystora przy
zwarciach osiąga się wówczas, gdy omawiana charakterystyka bezpiecznika przebiega
poniżej charakterystyki prądowej tyrystora. Aby umożliwić pełne wykorzystanie tyrystorów
w zakresie prądów znamionowych, należy dobierać bezpieczniki ultraszybkie o możliwie
dużych prądach znamionowych. Regułą jest, że bezpieczniki ultraszybkie nie zapewniają
ochrony tyrystorów przy mniejszych, ale dłużej trwających przeciążeniach, co obrazuje
przebieg krzywej 2 nad krzywą 1 z prawej strony punktu A przecięcia krzywych. Krzywa 3
przedstawia charakterystykę zadziałania wyłącznika szybkiego. Przy dłuższym czasie
przeciążeń przebiega ona poziomo, ale szybko wznosi się przy stromo narastającym prądzie
przeciążenia. Charakterystyka zadziałania wyłącznika szybkiego powinna przebiegać w
dużym zakresie poniżej charakterystyki bezpieczników, gdyż chroni to bezpieczniki przed
zadziałaniem podczas zakłóceń zewnętrznych ( np. doziemień, zwarć itp.).
Wkładka topikowa bezpieczników o charakterystyce ultraszybkiej jest zbudowana z:
" Elementu topikowego wykonanego z taśmy srebrnej; cechuje go mała pojemność
cieplna i duża gęstość płynącego przez niego prądu;
" Miedzianych lub mosiężnych srebrzonych styków zewnętrznych, do których jest
przyłączony element topikowy; służą one bezpośrednio do łączenia wkładki z
obwodem zewnętrznym, a pośrednio również do chłodzenia elementu topikowego;
" Korpusu ceramicznego (steatyt), w którym umieszczony jest element topikowy;
" Piasku kwarcowego (SiO2) pełniącego funkcję szczelnego wypełniacza przestrzeni
łukowej; ma on ściśle określony skład chemiczny i granulację pozwalającą na
2
uzyskanie dostatecznej wartości całki Joule a ( A s) oraz zwarciowej zdolności
wyłączania.
" Wskaz
nik zadziałania (przepalenia) wkładki  umieszczony na górnej metalowej
pokrywie lub w bocznej części ceramicznego korpusu. (Najmniejsze napięcie
zadziałania wskaz
nika przepalenia  10 V.)
Ze względu na odpowiedzialną rolę bezpieczników ultraszybkich, zadziałanie ich powinno
być kontrolowane. Może do tego służyć mikrowyłącznik (np. NVS 5, lub AMK produkcji
ETI-Polam ) umieszczony na zaczepie pokrywy bezpiecznika, lub na metalowych
wspornikach na wkładce z bocznym wskaz
nikiem zadziałania, uruchamiany przez
podniesienie siÄ™ blaszki wskaz
nika zadziałania po przepaleniu się wkładki topikowej.
Podstawowe parametry bezpieczników ultraszybkich przedstawiono w tablicy nr 1.
3
Typ bezpiecznika DO D WT-NH WT-NH
(aR, gR) U, U-N H,G,S
Zdolność ~50/-8 ~50/-8 ~50/-8 ~50/-8
zwarciowa, kA
Napięcie znamion. ~400/-250 500 ~690/-440 ~690/-440
maks. V
Napięcie łuku 600 - 850 500 850 - 1250 850 - 1250
elektrycznego, V
Prąd znamion. A Wartość całki Joule a wyłączania, A2s
2 6,3 5,8 - -
4 13 11 - -
6 20 18 18 -
10 65 60 60 -
16 200 180 180 140
20 275 250 250 230
25 480 470 460 400
32 - - 750 650
35 1000 980 1000 835
50 1800 1750 1500 1030
63 2500 2500 3000 2680
80 - 5300 5300 5550
100 - 9000 9000 8350
125 - 16000 16000 11800
160 - 24000 24000 19300
200 - 40000 40000 27800
250 - - 65000 45000
315 - - 175000 85600
400 - - 441000 160000
450 - - 510000 -
500 - - 620000 257000
560 - - 740000 332000
630 - - 850000 407000
710 - - - 653000
800 - - - 835000
Tabela nr 1.
1000 - - - 1060000
1250 - - - 1500000
Całka cieplna Joule a wyłączania bezpiecznika (i2dt)BC ma wartość stałą dla danego typu
+"
bezpiecznika i jest równa sumie całek cieplnych dla okresu przedłukowego i okresu
łukowego. Można przyjąć że :
(i2dt)BC= 3-5 (i2dt)BO
=
=
+" +"
Gdzie (i2dt)BO jest całką Joule a okresu przedłukowego.
+"
W czasie zwarcia element topikowy bezpiecznika zostaje przepalony i prÄ…d zwarciowy ulega
ograniczeniu.
4
Rys. 3
Na rys. 3 pokazano przebieg wzrastającego prądu zwarciowego aż do czasu t1, kiedy to
zapala siÄ™ Å‚uk elektryczny w komorze Å‚ukowej bezpiecznika. Od tej chwili prÄ…d zwarciowy
maleje w funkcji napięcia łuku UL, które w bezpiecznikach ultraszybkich jest stabilizowane.
Ponadto napięcie łuku UL musi być wyższe od napięcia zasilania tyrystora, aby prąd
zwarciowy został zredukowany do zera w dostatecznie krótkim czasie zawartym w przedziale
t1  t2. Napięcie w obwodzie wyższe od napięcia znamionowego bezpiecznika może
spowodować zgaszenie łuku elektrycznego w jego komorze z tak dużym opóz
nieniem że
ochrona tyrystora stanie się nie skuteczna. Należy również pamiętać o tym, aby napięcie łuku
elektrycznego nie przekraczało klasy napięciowej tyrystora. Napięcie łuku między
elektrodami bezpiecznika jest sumą napięcia anodowego i katodowego oraz spadku napięcia
w plazmie, która pali się pomiędzy elektrodami. Wartość spadku napięcia w plazmie jest
uzależniona od długości łuku, jego temperatury oraz prądu. Oznacza to, że im łuk elektryczny
jest krótszy, tym bardziej stabilne jest jego napięcie. Charakterystyka napięcia łuku
elektrycznego UL(kV) = f(Up) wkładek WT-NH 00C  4a jest pokazana na rys. 6.
Rys. 6
Firma ETI  Polam w Pułtusku oferuje pełną rodzinę wkładek topikowych o charakterystyce
ultraszybkiej w wielkościach DO, Dll, Dlll, DlV, DV, WT-NH 00C, 00,1,2,3 (typ U-N  do
mocowania w standardowej podstawie bezpiecznikowej, oraz typ U  do mocowania na
zaciskach śrubowych). W ostatnim czasie w celu ułatwienia doboru i zapewnienia
użytkownikom optymalnego poziomu zabezpieczania elementów półprzewodnikowych firma
5
wprowadziła do produkcji nowe typy i wielkości wkładek topikowych gR i aR. Są to wkładki
typu G, G  M, M - do mocowania w standardowej podstawie bezpiecznikowej, S - do
mocowania na zaciskach śrubowych, wielkości WT-1 In = 32  400A, WT-2 In = 160 
630A, WT-3 In = 315  1250A.
Rys. 4
Wkładka typu G (rys.4) jest pozbawiona noży stykowych. W ich miejscu posiada gwint
skierowany wzdłuż osi podłużnej wkładki, w celu przekręcenia jej śrubami pomiędzy dwoma
szynami prądowymi. Typ G-M (Rys. 5) wkładki jest dodatkowo wyposażony w boczny
wskaz
nik uszkodzenia i wsporniki do mocowania mikrowyłącznika AMK służącego do
zdalnej sygnalizacji zadziałania wkładki.
Rys. 5
Aby więc prawidłowo dobrać wkładki topikowe o charakterystyce ultraszybkiej aR lub gR do
ochrony tyrystorów, należy stosować następujące kryteria i zależności :
" Prąd znamionowy bezpiecznika powinien spełniać nierówność :
IBN d" I T(AV)È 2 Ä„/ È
Gdzie I T(AV)  wartość średnia prądu przewodzenia tyrystora (dla jednego okresu przebiegu
napiÄ™cia), przy czym kÄ…t przewodzenia È = Ä„, w ukÅ‚adzie trójfazowym È = 2Ä„/3.
Należy jednak pamiętać, że prąd bezpiecznika jest określony wartością skuteczną, natomiast
prąd przewodzenia tyrystora wartością średnią. Jeżeli w układzie nie ma odrębnej ochrony
przeciążeniowej tyrystorów ( np. w postaci wyłączników szybkich) to prąd znamionowy
bezpieczników należy wybrać mniejszy, tak aby jego charakterystyka czasowo-prądowa w
całym zakresie przebiegała poniżej charakterystyki przeciążeniowej tyrystora. Tyrystory są
wtedy przewymiarowane w stosunku do ich obciążenia, co jest rozwiązaniem
nieekonomicznym.
" Napięcie znamionowe bezpiecznika UBN nie może być wyższe od napięcia obwodu
chronionego UBN < U2.
" Napięcia : powtarzalne szczytowe wsteczne URRM i powtarzalne szczytowe
blokowania UDRM tyrystora powinny być wyższe niż maksymalne napięcie łuku
elektrycznego bezpiecznika URRM > UÅ‚ i UDRM > UÅ‚.
6
" Całka Joule a wyłączania bezpiecznika (i2dt)BC musi być mniejsza niż graniczna
+"
całka Joule a tyrystora (i2dt), a więc
+"
(i2dt)BC < (i2dt)
+" +"
" Maksymalny spodziewany prąd zwarciowy Ip, który może pojawić się w obwodzie,
powinien być mniejszy niż znamionowa zwarciowa zdolność wyłączania
bezpiecznika Ik : Ip < Ik
" Prąd zwarciowy ograniczony bezpiecznika Iogr powinien być mniejszy od prądu
niepowtarzalnego szczytowego przewodzenia tyrystora ITSM :
Iogr < ITSM
Skuteczność ochrony tyrystorów przez bezpieczniki ultraszybkie należy ocenić porównując
ich charakterystyki czasowo-prądowe. Dopuszczalny jest brak ochrony tyrystorów przez
bezpieczniki przy długotrwałych mniejszych przeciążeniach pod warunkiem jednak, że
zastosowano odrębną ochronę przeciążeniową.
Mgr inż. Roman Kłopocki
Autor jest pracownikiem ETI - Polam
7