Comment choisir un fusible DC pour semi-conducteur ?

Introduction aux fusibles à semi-conducteurs

A fusible à courant continu à semi-conducteur, également appelé fusible pour semi-conducteurs, est un composant installé dans un circuit électrique pour garantir le bon fonctionnement du circuit et protéger les dispositifs semi-conducteurs tels que Modules de puissance IGBTDans des conditions de tension spécifiées, le courant traverse l'élément fusible.

En utilisant les effets thermiques du courant, lorsque la chaleur accumulée atteint un certain niveau, la partie spécifique (section étroite) de l'élément fusible fond et se déconnecte dans le temps prescrit, interrompant ainsi en toute sécurité le courant de défaut.

Principe de fonctionnement des fusibles à semi-conducteurs

Lorsque le courant traverse un conducteur, celui-ci chauffe en raison de sa résistance inhérente. La chaleur générée suit la formule Q=I²Rt, où Q est la chaleur générée, I est le courant traversant le conducteur, R est la résistance du conducteur et t est le temps pendant lequel le courant traverse le conducteur. Sur la base de cette formule, le principe de fonctionnement d'un fusible peut être compris comme suit :

Lorsque le courant traverse le fusible, celui-ci chauffe et la quantité de chaleur générée augmente avec le temps. L'intensité du courant et la résistance déterminent le taux de génération de chaleur, tandis que la construction du fusible et ses conditions d'installation déterminent le taux de dissipation de chaleur. 

Si le taux de génération de chaleur est inférieur au taux de dissipation de chaleur, le fusible ne fondra pas. Si le taux de génération de chaleur est égal au taux de dissipation de chaleur, le fusible ne fondra pas pendant une période considérable. Cependant, si le taux de génération de chaleur dépasse le taux de dissipation de chaleur, la chaleur accumulée augmentera. En raison de sa capacité thermique spécifique et de sa masse, cette augmentation de chaleur se manifeste par une augmentation de la température. Lorsque la température dépasse le point de fusion du fusible, celui-ci subit une fusion et une interruption.

Comment choisir un fusible semi-conducteur ?

1. Confirmez si le fusible est utilisé pour un circuit CA ou CC.

Il est essentiel de déterminer si un fusible est destiné à être utilisé dans un circuit à courant alternatif (CA) ou à courant continu (CC). L'utilisation incorrecte d'un fusible CA dans un circuit CC ou vice versa peut entraîner des accidents.

Dans les circuits à courant alternatif, la décharge d'arc a tendance à s'éteindre lorsque la tension d'alimentation devient nulle. Cependant, comme la tension continue n'atteint pas zéro dans les circuits à courant continu, il existe un risque que la décharge d'arc ne s'éteigne pas, ce qui peut endommager le fusible (voir la figure 1).

Par conséquent, pour les circuits CC, seuls les fusibles CC doivent être sélectionnés et uniquement les fusibles CA pour les circuits CA !

2. Tension nominale (Un) : La tension nominale du fusible.

Ce terme est utilisé dans la perspective de l'utilisation sûre des fusibles, indiquant la tension de fonctionnement la plus élevée du circuit dans lequel le fusible est installé tout en maintenant un état de fonctionnement sûr. Cela implique que le fusible ne doit être placé que dans des circuits où la tension de fonctionnement est inférieure ou égale à la tension nominale du fusible pour qu'il fonctionne de manière sûre et efficace. Dans le cas contraire, un arc électrique continu et des dommages au circuit peuvent se produire lorsque le fusible fond.

Par exemple, un fusible de 250 V peut être utilisé dans des circuits avec des tensions de 125 V ou moins.

3. Courant nominal (principalement pour la sélection de faible courant) : le courant nominal du fusible.

Il s'agit du niveau de courant que le fusible peut supporter dans des conditions de fonctionnement normales, et non du courant de fonctionnement. Le choix correct de la valeur du courant nominal doit tenir compte des éléments suivants :

• Pour les spécifications UL avec une faible capacité de surcharge, le courant nominal In = Ir/Of, où Ir est le courant de fonctionnement du circuit et Of = 0.75 est le facteur de réduction de courant du fusible. Par exemple, si le courant de fonctionnement Ir du circuit est de 1.5 A, un fusible de 2 A doit être sélectionné (1.5/0.75 = 2 A).
• Pour les spécifications CEI avec une forte capacité de surcharge du fusible, aucune réduction n'est nécessaire, c'est-à-dire Ir = In.

4. Température ambiante (principalement pour la sélection de faible courant) :

La capacité de transport de courant d'un fusible est déterminée par des expériences menées à une température ambiante de 25 °C. Cependant, ces expériences sont influencées par les variations de température ambiante : lorsque la température ambiante augmente, la température de fonctionnement du fusible augmente, ce qui entraîne une réduction de la capacité de transport de courant et une durée de vie plus courte. Dans de tels cas, il convient de prendre en compte la réduction de la température (voir le schéma ci-dessous).

Par exemple, en sélectionnant un fusible à action rapide fonctionnant à 90 °C dans un petit environnement avec un courant de 1.5 A, comme illustré dans le schéma de droite, son facteur de réduction de température (Tf) est de 95 %.

Si vous suivez les spécifications IEC : In = In / Tf = 1.5 / 0.95 = 1.58, nous recommandons donc un courant nominal de 1.6 A ou 2 A.

Si vous suivez les spécifications UL : In = In / (Of * Tf) = 1.5 / (0.75 * 0.95) = 2.1, recommandant ainsi un courant nominal de 2.5 A.

5. Pouvoir de coupure maximal (A/kA) :

Le pouvoir de coupure maximal d'un fusible fait référence au courant maximal qu'un fusible peut interrompre ou déconnecter en toute sécurité dans des conditions spécifiées sans causer de dommages. Il s'agit essentiellement du courant de défaut maximal que le fusible peut gérer et interrompre en toute sécurité.

Le pouvoir de coupure est le principal indicateur de sécurité des fusibles. Les différents fusibles possèdent des pouvoirs de coupure différents en fonction de leur conception et des applications prévues. Un pouvoir de coupure élevé est essentiel pour garantir que le fusible peut déconnecter le circuit en toute sécurité en cas de défaut ou de surcharge sans provoquer d'événements dangereux : tels que bris, brûlure, éclaboussure, explosion ou endommagement des personnes ou d'autres composants environnants.

Par exemple, un fusible avec un pouvoir de coupure de 10,000 10 ampères (10,000 kA) peut interrompre en toute sécurité un courant de défaut allant jusqu'à XNUMX XNUMX ampères sans subir de dommages.

6. Catégories de protection :

Selon les normes CEI, les catégories de protection des fusibles sont généralement divisées en « type g » et « type a » (voir le tableau ci-dessous) :

« type g » : protection complète – capable d'interrompre tout courant entre la fusion du fusible et la capacité de coupure nominale. Convient pour la protection contre les courants de surcharge et de court-circuit. Peut servir indépendamment de protection pour toute la plage de courant.

« type a » : protection à portée partielle – capable d'interrompre toute surintensité entre le courant de coupure minimum et le pouvoir de coupure nominal. Convient pour la protection contre les courts-circuits (secours). Nécessite une combinaison avec d'autres dispositifs de protection pour fournir une protection complète contre les surintensités.

Les caractéristiques générales des catégories « g » et « a » avec le même tube, la même tension et le même courant sont comparées ci-dessous :

7. Caractéristiques de fusion :

Les caractéristiques des fusibles, également appelées caractéristiques temps/courant, caractéristiques IT ou caractéristiques ampère-seconde, sont souvent représentées à l'aide de graphiques de courbes :

La courbe caractéristique du fusible illustre la relation fonctionnelle entre différentes charges de courant et leurs temps de fusion de fusible correspondants, fournissant une référence pour la sélection (se référer au graphique)

Les fusibles doivent avoir une certaine capacité de surcharge :

• Selon les spécifications UL, le courant maximal de non-claquage d'un fusible est de 110 % In.
• Selon les spécifications CEI, le courant maximal de non-claquage d'un fusible est de 113 % In ou 120 % In.

Les fusibles doivent également griller rapidement lorsqu'ils sont soumis à une surintensité au-delà de la limite spécifiée :

• Selon les spécifications UL, le courant de soufflage minimum d'un fusible est d'environ 135 % In.
• Selon les spécifications CEI, le courant de fusion minimum d'un fusible est d'environ 145 % In.

8. Énergie de fusion (I²t) :

La valeur de l'énergie de fusion fait référence à la valeur de l'énergie lorsque le fusible fond, indiquant la capacité du fusible à résister aux surtensions. Ici, I est le courant de surcharge et t est le temps de fusion. L'énergie nécessaire pour que le fusible fonde (If²t) et l'énergie libérée par l'impulsion de surtension (Ir²t) déterminent si le fusible va fondre. Si Ir²t > If²t, le fusible fond ; si If²t < Ir²t, le fusible peut résister à la surtension.

Le temps de fusion d'un fusible dépend de facteurs tels que la chaleur générée par le courant, les conditions de dissipation de la chaleur et les caractéristiques de capacité thermique du fusible. De nombreux facteurs peuvent influencer le temps de fusion d'un fusible, de sorte que les valeurs If²t d'un fusible ne sont pas constantes à différents courants ou temps d'interruption. 

La courbe If²t-t reflète les valeurs If²t du fusible à différents temps de fusion (voir le graphique ci-dessous), de manière similaire à la courbe caractéristique du fusible. Elle sert de référence aux concepteurs lors de la sélection des fusibles.

9. Durée de vie/durabilité du produit :

La durée de vie d’un fusible est généralement longue et, en l’absence de défauts, elle est presque synchrone avec la durée de vie de l’équipement.

La méthode de test de la durée de vie des petits fusibles tubulaires selon les spécifications CEI comprend les étapes suivantes : dans des conditions de courant continu (CC), le fusible est soumis à un courant de 1.20 In (ou 1.05 In) pendant une heure, suivi d'une déconnexion pendant 15 minutes. Ce cycle est répété en continu pendant 100 cycles. Enfin, le fusible est soumis à un courant de 1.5 In (ou 1.15 In) pendant une heure. Tout au long de ce processus, il ne doit pas y avoir de fusion ou d'autres phénomènes anormaux.

10. Méthode d'installation :

Montage sur panneau : boîtes à fusibles, supports de fusibles, etc.

Montage de base : clips de fusibles, supports de clips de fusibles, etc.

Montage sur circuit imprimé (PCB) : 

• Montage traversant (soudure à la vague) : fils radiaux, fils axiaux, etc.
• Montage en surface : monolithique multicouche, type couche mince, etc.

Montage suspendu : Porte-fusibles.

Dimensions extérieures:

• Tubulaire : Diamètre X Longueur.
• Miniature : Ouverture X Pas.
• Montage en surface : Pastille de soudure – Longueur X Largeur, la distance entre les extrémités.

11. Certificat de sécurité

CE

La certification CE est une marque de certification de conformité dans le Marché commun européen. CE signifie « Conformité Européenne » et sert de marque de certification utilisée par les pays membres de l'Union européenne (UE) pour indiquer que les produits vendus sur leurs marchés sont conformes à la réglementation européenne. La certification CE est volontaire pour les fabricants et vise à garantir que les produits répondent aux exigences de la réglementation européenne pour garantir la sécurité des consommateurs, la santé et la protection de l'environnement.

UL

La certification UL est une certification de sécurité des produits délivrée par Underwriters Laboratories Inc. (UL), une société indépendante de premier plan spécialisée dans les tests et la certification de la sécurité des produits. L'objectif de la certification UL est de garantir que les produits sont conformes aux normes de sécurité en vigueur, offrant ainsi aux fabricants la confiance nécessaire pour vendre leurs produits sur le marché.

cUL

La certification cUL fait référence à la certification délivrée par l'Association canadienne de normalisation (CSA). La marque cUL indique qu'un produit a été certifié par la CSA et qu'il est conforme aux normes et exigences pertinentes au Canada. La certification cUL implique généralement des tests de sécurité et de performance pour les produits électriques et électroniques. Cette certification est une exigence essentielle pour vendre des produits sur le marché canadien et est également largement reconnue dans d'autres pays et régions.

PAD ou “CSA”

CSA est l'abréviation de l'Association canadienne de normalisation, qui est l'organisme de certification faisant autorité pour les produits électroniques et électriques au Canada. Les produits électriques certifiés par cette organisation peuvent être vendus librement sur le marché canadien. Les produits certifiés par la CSA ne peuvent être vendus que sur le marché canadien et, pour entrer sur le marché américain, ils doivent également obtenir la certification UL des États-Unis.

TÜV

La certification TÜV est une certification de produit délivrée par l'organisation allemande Technischer Überwachungsverein (TÜV). TÜV est un organisme indépendant de premier plan en matière d'inspection technique et de certification. Cette certification couvre généralement les aspects de sécurité, de qualité et de performance d'un produit, garantissant sa conformité aux normes et réglementations en vigueur. Les produits qui reçoivent la certification TÜV peuvent améliorer leur crédibilité et leur compétitivité sur le marché, en particulier en Allemagne et sur d'autres marchés européens.

RoHS

La certification RoHS fait référence à la certification des produits conformes à la directive européenne sur la limitation de l'utilisation de certaines substances dangereuses (directive RoHS). La directive RoHS est une réglementation établie par l'Union européenne pour limiter la teneur en certaines substances dangereuses utilisées dans les équipements électroniques et électriques, dans le but de réduire l'impact négatif sur l'environnement et la santé humaine.

REACH

REACH (Registration, Evaluation, Authorization, and Restriction of Chemicals) est un règlement établi par l'Union européenne concernant les produits chimiques. Le règlement REACH est entré en vigueur en 2007 dans le but de protéger la santé humaine et l'environnement tout en encourageant les entreprises à utiliser les produits chimiques de manière plus responsable.

12. Conformité aux normes

• Norme UL 248-1 Underwriters Laboratories Inc. pour la sécurité
• IEC 60269 (GB13539) – Fusibles basse tension :
• IEC 60947 (GB14048) – Appareillage de commutation et de commande basse tension :
• IEC 60947-3 (GB14048-3) – Interrupteurs, sectionneurs, interrupteurs-sectionneurs et unités combinées à fusibles
• IEC 61818 – Guide d'application pour les fusibles basse tension :
• IEC 61459 – Coordination entre fusibles et contacteurs/démarreurs de moteurs :

Analyse des modes de défaillance courants des fusibles

1. Sélection de tension nominale sous-dimensionnée, l'inductance du circuit dépasse les conditions de test standard : si la tension de coupure du circuit est supérieure à la tension nominale du fusible ou si l'inductance dépasse les conditions de test standard, le fusible peut ne pas interrompre de manière fiable, ce qui peut entraîner une explosion et un arc électrique.
2. Sélection d'un courant nominal sous-dimensionné : un courant nominal insuffisant peut provoquer la fusion du fusible ou réduire sa durée de vie en raison des courants de chauffage et d'impact dans le circuit.
3. Sélection de courant nominal surdimensionné : si le fusible est surdimensionné pour certaines surintensités, il peut ne pas fonctionner ou fonctionner trop lentement, causant des dommages à d'autres composants.
4. Plage de protection partielle de type « a » contre les surintensités : le fusible peut ne pas griller de manière fiable en cas de surintensité dans la plage de protection partielle de type « a ».
5. Une installation incorrecte ou une résistance de contact élevée peuvent entraîner une surchauffe et des dommages.
6. Les perturbations mécaniques dépassant les normes de conception des fusibles peuvent endommager ou compromettre les conditions de fonctionnement du fusible.
7. Le courant de court-circuit réel dépasse de loin la capacité de coupure nominale du fusible : le fusible peut ne pas interrompre de manière fiable le courant de court-circuit.
8. La distance d'installation entre les fusibles est trop proche ou l'influence d'autres composants chauffants empêche une dissipation thermique raisonnable et réduit la durée de vie ;

Recommandations pour éviter les pannes de fusibles et assurer une protection fiable du système

1. Sélection : Fournit des paramètres de fonctionnement de circuit précis pour aider à la sélection appropriée du fusible pour une protection efficace.
2. Choisissez des fabricants de qualité : sélectionnez des fabricants proposant des matériaux de haute qualité, des processus de qualité, des inspections approfondies et une cohérence dans le respect des exigences.
3. Tests de produits et tests d'applications : Effectuez des tests approfondis des produits et de leurs applications pour garantir la fiabilité.