一文講清楚：幾個典型應(yīng)用場合 熔斷器的選擇和使用一般原則
在電氣、電子系統(tǒng)及設(shè)備中，眾多熔斷器分別用于不同部位設(shè)備、線路以及系統(tǒng)的過電流保護，不同位置熔斷器的工作電壓、工作電流、故障電流、環(huán)境條件也各不相同，在不同的地方選用合理的熔斷器對于設(shè)備和系統(tǒng)的安全運行是非常重要的。在很多情況下，由于熔斷器選用的不恰當(dāng)而達(dá)不到預(yù)期保護效果，甚至造成嚴(yán)重后果的事故時有發(fā)生。本文對幾個典型應(yīng)用場合熔斷器的選擇和使用一般原則與過程進行介紹。
熔斷器的選用需要根據(jù)被保護負(fù)載的過載電流特性、可能出現(xiàn)的最大短路電流、工作電壓、環(huán)境溫度、選擇性保護、熔斷器的電壓降、耐久性、可維護性等因素，綜合考慮來選擇類型和規(guī)格。常見的電氣、電子設(shè)備和系統(tǒng)工作的電流、電壓波形不同，抗過電壓、過電流的能力有時差異也很大，加之熔斷器需要計及的性能參數(shù)較多，所以應(yīng)認(rèn)真選擇。有時不同性能的要求間會出現(xiàn)矛盾，就需要設(shè)計人員分清主次折中選擇。
一般來講，在選擇熔斷器時，應(yīng)根據(jù)使用場合選定熔斷器的種類，繼而選定熔體的規(guī)格。使熔體的保護特性與被保護負(fù)載有良好的配合，然后再根據(jù)熔體去選擇熔斷器的規(guī)格。當(dāng)然，熔斷器的額定電流應(yīng)不小于熔體的額定電流，額定分?jǐn)嗄芰?yīng)大于電路中可能出現(xiàn)的最大短路電流，額定電壓也應(yīng)足夠。對于設(shè)備開機時的沖擊電流（inrush cur-rent）、EMC測試的一定幅值的雷擊電流等脈沖，熔體也應(yīng)能承受。下面通過具體設(shè)計來進行說明。
01 一般電氣、電子設(shè)備熔斷器的選擇
1. 熔斷器類型的選擇
對于一般電氣、電子設(shè)備，其工作電流為連續(xù)的直流或交流，可依據(jù)其應(yīng)用場合以及短路電流的大小來選擇類型。比如，對容量較小的照明線路或電動機的保護，可采用插入式熔斷器、無填料密閉管式熔斷器；對短路電流較大的設(shè)備或存在易燃?xì)怏w的場合，可采用有高分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟嗥骰蛴刑盍厦荛]管式熔斷器；對于半導(dǎo)體功率整流設(shè)備，可采用快速熔斷器。
2. 熔體額定電流的選擇
① 對于照明電路和電熱設(shè)備等阻性負(fù)載
其負(fù)載電流為較穩(wěn)定的交流或直流電，容量也相對較小，可以用熔斷器進行過載保護和短路保護，選擇熔體時，使其額定電流IRN等于或稍大于負(fù)載設(shè)備的額定電流ILN即可，具體如下：
IRN=1.1ILN （1-1）
式中，IRN為熔斷器額定電流；ILN為負(fù)載的額定電流。
② 對于電動機負(fù)載
其起動過程會持續(xù)數(shù)十秒，并且起動電流Imq比其額定電流ImN大很多。例如，籠型異步電動機起動電流可達(dá)額定電流的6～8倍，即使采用減壓起動方式，起動電流也可達(dá)額定電流的2倍以上；線繞轉(zhuǎn)子電動機的起動電流也可達(dá)其額定電流的2～3倍。此外，電動機一般能承受比額定電流大約20%的過載電流?？梢?，電動機的起動電流有可能遠(yuǎn)大于工作電流，為此，對電動機負(fù)載的熔斷器進行選型設(shè)計時，就只能主要考慮其短路電流的保護功能，過載電流保護無法用熔斷器來完成，即起動電流不熔斷、短路電流時才熔斷。人們發(fā)現(xiàn)在實踐中，只要使熔體流過的起動電流不大于其保護特性電流的1倍左右，就可以使熔斷器在電動機起動過程中避免熔斷，而電動機的過載保護可通過熱繼電器來進行。
具體來講，根據(jù)電動機的數(shù)量以及工作狀態(tài)的不同，電動機熔斷器額定電流的選擇可參考以下設(shè)計。
對于單臺電動機的長期保護，可按式（1-2）選取
IRN ≥（1.5～2.5）ImN （1-2）
式中，IRN為熔斷器額定電流；ImN為電動機額定電流。
對經(jīng)常起動、重載起動或起動時間較長的情況，可取2.5；對于輕載起動或起動時間較短的情況，可取近1.5。
對于保護多臺電動機的熔斷器，考慮到在出現(xiàn)大起動峰值電流時，熔體應(yīng)正常工作，則熔體的額定電流應(yīng)大于或等于最大一臺電動機額定電流的1.5～2.5倍，同時加上使用的其余電動機額定電流之和，即
IRN≥（1.5～2.5）ImNmax+IiN （1-3）
式中，IRN為熔斷器額定電流；ImNmax為最大電動機的額定電流；IiN為其余電動機額定電流之和。
當(dāng)然，電動機的實際工作情況與可能還是有所不同，式（1-2）僅為一種設(shè)計參考，設(shè)計時可根據(jù)實際的電動機系統(tǒng)進行設(shè)計和調(diào)整。
3. 熔斷器額定電壓的選擇
對于一般電氣負(fù)載，熔斷器的額定電壓選擇大于或等于電氣負(fù)載的額定電壓即可。
4. 熔斷器分?jǐn)嗄芰Φ倪x擇
熔斷器分?jǐn)嗄芰Φ倪x擇取決于短路電流的大小和負(fù)載抵抗大電流的能力。一般來講，低壓小容量負(fù)載可選擇低分?jǐn)嗄芰θ蹟嗥?，大容量?fù)載可選擇高分?jǐn)嗄芰Φ娜蹟嗥鳌?/p>
5. 熔斷器熔化熱能值的選擇
實際電氣、電子產(chǎn)品在工作或進行EMC雷擊浪涌、ESD放電測試時，熔斷器中除有正常負(fù)載工作電流外，還會流過瞬態(tài)高幅值的尖峰電流，幅值可達(dá)幾十安，甚至上千安培。有時負(fù)載的工作電流也可能是脈沖形式的，此時選擇熔斷器參數(shù)，就有必要考慮熔化熱能值參數(shù)。選擇熔斷器時，應(yīng)保證在至少單個脈沖電流流過時，熔斷器不會熔斷，這就要求熔化熱能值應(yīng)大于流過脈沖電流的I2t值。
以EMC測試?yán)讚衾擞侩娏鳛槔?，如測試電壓/電流為1kV等級，被保護設(shè)備安裝有過電壓鉗位抑制器件，則浪涌電流波形接近為500A峰值、8/20μs的雙指數(shù)脈沖。通常被測設(shè)備應(yīng)能承受該雷擊浪涌而正常工作，這就需要分析該電流的I2t值，并據(jù)此選擇熔斷器的熔化熱能值。為簡化計算，使用圖1-1所示的三角波電流及其I2t計算式來估算雷擊浪涌電流的I2t值，容易算出該電流的I2t值為1.67A2·s。由此，在選擇熔斷器時，熔體的熔化熱能值最好為該值的2～3倍，即可保證熔斷器可承受規(guī)定浪涌脈沖電流。
圖1-1 三角波電流及其I2t計算式
02 半導(dǎo)體整流裝置過電流保護熔斷器選擇
在當(dāng)今眾多的電氣、電子設(shè)備中，通常利用半導(dǎo)體功率開關(guān)器件，如硅二極管、晶閘管SCR、可關(guān)斷門極晶閘管GTO等，構(gòu)成的開關(guān)整流電源、開關(guān)直流電源以及變頻電源將電網(wǎng)的“粗電”變換為“精電”后，為整個設(shè)備提供電力。在這些電源設(shè)備中，半導(dǎo)體功率器件對過電流的敏感程度要比傳統(tǒng)的無源電感、電容高得多，不僅對過電流的幅值敏感，對過電流的持續(xù)時間也很敏感。因此，對半導(dǎo)體整流或開關(guān)裝置過電流的熔斷器保護設(shè)計與前述一般電氣、電子設(shè)備的設(shè)計就有所不同。
由于SCR、GTO耐過電流的能力通常不超過1～2個電網(wǎng)周期，因而需要選用快速熔斷器對半導(dǎo)體整流裝置提供過電流的保護。利用快速熔斷器進行過電流保護，其效果和參數(shù)設(shè)計還與其接入被保護電路的位置有關(guān)。以單相硅整流橋和單相SCR整流橋為例，快速熔斷器接入整流電路的方式可以有交流側(cè)接入、與硅元件直接串聯(lián)接入、直流側(cè)接入三種，分別如圖2-1（a）、（b）、（c）所示。
圖2-1 快速熔斷器接入整流電路的方式
圖2-1中，（a）方案的熔斷器額定電流會大一些，因為其正負(fù)半周均流過電流，電流有效值大，這樣就導(dǎo)致該方式對過電流保護的可靠性就略差一些。（b）方案熔斷器保護的可靠性最高，因為任一個元器件發(fā)生事故時，相應(yīng)的快速熔斷器就可起保護熔斷作用。當(dāng)然，其所用的熔斷器數(shù)量也較多。（c）方案的保護可靠性最差，因為其只能在直流負(fù)載側(cè)發(fā)生故障時，才能起到熔斷保護作用，因此實際中很少采用。在設(shè)計熔斷器保護方案時，用戶應(yīng)根據(jù)具體要求進行選擇。此外，上述優(yōu)缺點分析對三相、多相不控整流橋及其他類似的半導(dǎo)體開關(guān)電路也適用。
1. 熔體額定電流的選擇
在半導(dǎo)體整流裝置中，流過熔斷器的電流也不是正弦波或直流波形，會因半導(dǎo)體的導(dǎo)通角度，負(fù)載的感性、容性、阻性性質(zhì)而變化，因此熔斷器的額定電流需用發(fā)熱等效來衡量，即用電流的有效值來衡量。此外，不同半導(dǎo)體器件的耐過電流能力不同，如硅整流二極管強些，而晶閘管相對弱些，因此它們對熔斷器的要求也有不同。因而，快速熔斷器應(yīng)由設(shè)計者考慮多方面因素后確定。
在一般應(yīng)用中，根據(jù)快速熔斷器保護方案的不同，可參考以下算式、圖表來進行熔斷器額定電流的簡化設(shè)計。
① 當(dāng)熔斷器接入交流側(cè)，熔體的額定電流可按式（2-1）選擇。
IRN ≥ k1 Izmax （2-1）
式中，k1為與整流電路拓?fù)浼皩?dǎo)電角有關(guān)的系數(shù)，半導(dǎo)體器件為硅整流二極管時，k1取值見表2-1，半導(dǎo)體器件為SCR時，k1取值見表2-1；Izmax為電路可能工作的最大整流電流。
表2-1 硅整流二極管時k1的取值
表2-2 SCR時k1的取值
② 當(dāng)熔斷器與硅元件直接串聯(lián)接入時，熔體的額定電流可按式（2-2）選擇。
IRN ≥ 1.5IzN （2-2）
式中，IzN為橋臂半導(dǎo)體器件的額定電流。
需要指出的是，硅整流器件和晶閘管的額定電流是指其電流的平均值，快速熔斷器的額定電流為有效值，這一點在計算時需要注意。
2. 熔斷器額定電壓的選擇
快速熔斷器熔斷的瞬間，由于電網(wǎng)電壓以及電路寄生電感的續(xù)流作用，熔斷器兩端電壓常會達(dá)到電網(wǎng)電壓的1.5～2倍。此時，半導(dǎo)體整流器件應(yīng)能承受電網(wǎng)電壓與熔斷器端電壓之和，故快速熔斷器額定電壓可參考下式選擇：
（2-2）
式中，URN為熔斷器的額定電壓；UZf為半導(dǎo)體器件的反向電壓峰值；k2為安全系數(shù)，可選1.5～2.5。
3.熔斷器分?jǐn)嗄芰?、熔化熱能值的選擇
快速熔斷器分?jǐn)嗄芰Α⑷刍療崮苤档倪x擇與上一節(jié)節(jié)中介紹的一般電氣、電子設(shè)備熔斷器的選擇原理一致，請讀者自行參考。
03 脈沖及瞬態(tài)沖擊電流時熔斷器的選擇
熔斷器所保護的負(fù)載的電流、開機沖擊電流以及EMC測試的雷擊浪涌電流、ESD放電電流等都常是脈沖形式的。這種脈沖形式的電流對熔斷器額定電流、熔化熱能值等參數(shù)的要求和選擇有較大的影響，在一些場合這些參數(shù)間很可能會發(fā)生設(shè)計或選擇上的矛盾。下面針對工作在脈沖或瞬態(tài)沖擊電流下的熔斷器的選擇方法進行介紹。
脈沖或瞬態(tài)沖擊電流對熔斷器的影響主要反映在熔斷器的熱效應(yīng)上。圖1-1 所示為脈沖形電流的示意圖。在脈沖電流持續(xù)期間，熔體會迅速升溫；而脈沖電流為零期間，熔體即降溫。這樣脈沖電流會產(chǎn)生熔體的最高溫度與平均溫度不同的現(xiàn)象，并且脈沖間隔的時間越長，熔體的最高溫升和平均溫升的差距就越大。嚴(yán)重時，就會產(chǎn)生脈沖電流持續(xù)時所產(chǎn)生的熱量已可使熔體幾近熔斷，但在整個周期內(nèi)，熔體的平均溫度尚未達(dá)到熔點的情況。換言之，脈沖電流有效值的熱作用與單個脈沖的I2t效應(yīng)有時會差異較大。圖3-1中示意性地用虛線畫出了脈沖電流的有效值。
因此，人們平常選擇熔體時僅使熔體的額定電流 IN 大于脈沖電流的有效值Ieff的方法是不夠可靠的。在脈沖電流或瞬態(tài)沖擊電流作用時，選擇熔體時必須保證每個電流脈沖的I2t值符合要求，同時還需要使電流的有效值也符合要求才行。在具體選擇熔體時，可首先計算脈沖電流的有效值，按前文介紹的方法選擇熔體額定電流IN。然后計算脈沖的I2t值。如果脈沖電流的幅值、形狀各異，則需要計算出每一種形狀脈沖的I2t值。最后選擇熔體的I2t值，使其為電流脈沖最大I2t值的2～3倍。這樣，就能保證熔體在正常脈沖電流下的安全工作，并起到過電流保護作用。下面以圖3-2所示的脈沖電流的為例，介紹熔體選擇過程。
圖3-1 脈沖形電流示意圖
圖3-2 脈沖電流實例
首先確定每個脈沖的有效值，即平方根值：
然后，確定每個脈沖的I2t值：
因而，可為這項應(yīng)用選擇1A的熔體，并保證熔體的I2t值大于1.25×10-3A2·s。
此外，一些先進的熔斷器生產(chǎn)商還提供有熔體的脈沖循環(huán)承受能力的估算圖表，可用來檢查所選熔體能承受多少次脈沖電流沖擊。比如，針對前述電流有效值和I2t值的要求，選用了Littelfuse公司235001熔體，在其產(chǎn)品手冊中可查出235001熔體的I2t值為0.48，那么有
從Littlefuset公司提供的熔體脈沖循環(huán)承受能力表，如圖3-3所示，可以看出，235001熔體對該脈沖電流的承受能力為10萬次以上，即可長期工作。
實際中的脈沖電流形狀多樣，為方便電流脈沖的I2t值計算，人們對典型波形及其計算進行了總結(jié)和歸納，如圖3-4所示。根據(jù)具體工作波形，可選擇圖中最接近的波形做近似計算。
在一些熔斷器應(yīng)用場合，被保護設(shè)備對熔斷器的參數(shù)要求可能會出現(xiàn)沖突。比如，圖3-5（a）所示的半導(dǎo)體整流裝置，為抑制EMI傳導(dǎo)干擾，在輸入電源線上施加有較大容量的電容C，通常熔斷器安裝在電容左方的輸入線上，因此當(dāng)該裝置上電時，會出現(xiàn)圖3-5（b）所示的Inrush電流。按照第二節(jié)中半導(dǎo)體整流裝置熔斷器的選取方法，為有效保護半導(dǎo)體功率器件，利用I2t值盡可能小的快速熔斷器或超快速熔斷器是最佳選擇。然而，對由于電容C引起的沖擊電流，則希望選用I2t值盡可能大的慢速熔斷器。這兩者的要求相互沖突，要選出兩方要求都滿足的熔斷器幾乎是不可能的。
圖3-3 熔體脈沖循環(huán)承受能力
圖3-4 典型波形I2t值近似計算
圖3-5 半導(dǎo)體整流裝置及其沖擊電流
這時，通過增加、調(diào)整該設(shè)備中一些元器件及其位置，可以使上述問題得以改善和解決，如圖3-6所示。（a）方法是將電容C移到最前側(cè)，使沖擊電流不流過熔斷器，熔體按保護半導(dǎo)體整流裝置的原則選擇即可。當(dāng)然，這種方式存在熔斷器保護范圍不全面的風(fēng)險，如電容C短路時無法提供保護。（b）方法是在熔斷器上串聯(lián)電阻，可使開機沖擊電流降低，同時又能對半導(dǎo)體整流裝置提供保護。當(dāng)然，這種方法存在電阻平時耗能和分壓的問題，利用在電阻旁并聯(lián)自動開關(guān)或負(fù)溫度（NTC）系數(shù)熱敏電阻即可解決。NTC熱敏電阻具有電阻值隨內(nèi)部溫度上升而下降的特性。開始時，其電阻稍大，從而限制Inrush電流幅值，隨電流的過通，其內(nèi)部溫升提高，電阻值繼而下降，使得負(fù)載正常工作時，NTC熱敏電阻上的電壓降已很小。（c）案將電阻串聯(lián)在電容支路上，也可減小沖擊電流，但會使C的濾波或動態(tài)響應(yīng)能力下降。上述三種方法各有優(yōu)缺點，具體選用哪一種方案由電路設(shè)計者根據(jù)實際應(yīng)用需要而定。
圖3-6 電容和半導(dǎo)體整流電路的熔斷器設(shè)計方案
