一文講清楚：幾個典型應用場合 熔斷器的選擇和使用一般原則
在電氣、電子系統及設備中，眾多熔斷器分別用于不同部位設備、線路以及系統的過電流保護，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備和系統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而達不到預期保護效果，甚至造成嚴重后果的事故時有發生。本文對幾個典型應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被保護負載的過載電流特性、可能出現的最大短路電流、工作電壓、環境溫度、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格。常見的電氣、電子設備和系統工作的電流、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較多，所以應認真選擇。有時不同性能的要求間會出現矛盾，就需要設計人員分清主次折中選擇。
一般來講，在選擇熔斷器時，應根據使用場合選定熔斷器的種類，繼而選定熔體的規格。使熔體的保護特性與被保護負載有良好的配合，然后再根據熔體去選擇熔斷器的規格。當然，熔斷器的額定電流應不小于熔體的額定電流，額定分斷能力應大于電路中可能出現的最大短路電流，額定電壓也應足夠。對于設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，熔體也應能承受。下面通過具體設計來進行說明。
01 一般電氣、電子設備熔斷器的選擇
1. 熔斷器類型的選擇
對于一般電氣、電子設備，其工作電流為連續的直流或交流，可依據其應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備或存在易燃氣體的場合，可采用有高分斷能力的熔斷器或有填料密閉管式熔斷器；對于半導體功率整流設備，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備等阻性負載
其負載電流為較穩定的交流或直流電，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等于或稍大于負載設備的額定電流ILN即可，具體如下：
IRN=1.1ILN （1-1）
式中，IRN為熔斷器額定電流；ILN為負載的額定電流。
② 對于電動機負載
其起動過程會持續數十秒，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，起動電流也可達額定電流的2倍以上；線繞轉子電動機的起動電流也可達其額定電流的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大于工作電流，為此，對電動機負載的熔斷器進行選型設計時，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。人們發現在實踐中，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，根據電動機的數量以及工作狀態的不同，電動機熔斷器額定電流的選擇可參考以下設計。
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，考慮到在出現大起動峰值電流時，熔體應正常工作，則熔體的額定電流應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）僅為一種設計參考，設計時可根據實際的電動機系統進行設計和調整。
3. 熔斷器額定電壓的選擇
對于一般電氣負載，熔斷器的額定電壓選擇大于或等于電氣負載的額定電壓即可。
4. 熔斷器分斷能力的選擇
熔斷器分斷能力的選擇取決于短路電流的大小和負載抵抗大電流的能力。一般來講，低壓小容量負載可選擇低分斷能力熔斷器，大容量負載可選擇高分斷能力的熔斷器。
5. 熔斷器熔化熱能值的選擇
實際電氣、電子產品在工作或進行EMC雷擊浪涌、ESD放電測試時，熔斷器中除有正常負載工作電流外，還會流過瞬態高幅值的尖峰電流，幅值可達幾十安，甚至上千安培。有時負載的工作電流也可能是脈沖形式的，此時選擇熔斷器參數，就有必要考慮熔化熱能值參數。選擇熔斷器時，應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大于流過脈沖電流的I2t值。
以EMC測試雷擊浪涌電流為例，如測試電壓/電流為1kV等級，被保護設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的雙指數脈沖。通常被測設備應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定浪涌脈沖電流。
圖1-1 三角波電流及其I2t計算式
02 半導體整流裝置過電流保護熔斷器選擇
在當今眾多的電氣、電子設備中，通常利用半導體功率開關器件，如硅二極管、晶閘管SCR、可關斷門極晶閘管GTO等，構成的開關整流電源、開關直流電源以及變頻電源將電網的“粗電”變換為“精電”后，為整個設備提供電力。在這些電源設備中，半導體功率器件對過電流的敏感程度要比傳統的無源電感、電容高得多，不僅對過電流的幅值敏感，對過電流的持續時間也很敏感。因此，對半導體整流或開關裝置過電流的熔斷器保護設計與前述一般電氣、電子設備的設計就有所不同。
由于SCR、GTO耐過電流的能力通常不超過1～2個電網周期，因而需要選用快速熔斷器對半導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，其效果和參數設計還與其接入被保護電路的位置有關。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接入、與硅元件直接串聯接入、直流側接入三種，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，因為其正負半周均流過電流，電流有效值大，這樣就導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生事故時，相應的快速熔斷器就可起保護熔斷作用。當然，其所用的熔斷器數量也較多。（c）方案的保護可靠性最差，因為其只能在直流負載側發生故障時，才能起到熔斷保護作用，因此實際中很少采用。在設計熔斷器保護方案時，用戶應根據具體要求進行選擇。此外，上述優缺點分析對三相、多相不控整流橋及其他類似的半導體開關電路也適用。
1. 熔體額定電流的選擇
在半導體整流裝置中，流過熔斷器的電流也不是正弦波或直流波形，會因半導體的導通角度，負載的感性、容性、阻性性質而變化，因此熔斷器的額定電流需用發熱等效來衡量，即用電流的有效值來衡量。此外，不同半導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，快速熔斷器應由設計者考慮多方面因素后確定。
在一般應用中，根據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計。
① 當熔斷器接入交流側，熔體的額定電流可按式（2-1）選擇。
IRN ≥ k1 Izmax （2-1）
式中，k1為與整流電路拓撲及導電角有關的系數，半導體器件為硅整流二極管時，k1取值見表2-1，半導體器件為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 當熔斷器與硅元件直接串聯接入時，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，由于電網電壓以及電路寄生電感的續流作用，熔斷器兩端電壓常會達到電網電壓的1.5～2倍。此時，半導體整流器件應能承受電網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為半導體器件的反向電壓峰值；k2為安全系數，可選1.5～2.5。
3.熔斷器分斷能力、熔化熱能值的選擇
快速熔斷器分斷能力、熔化熱能值的選擇與上一節節中介紹的一般電氣、電子設備熔斷器的選擇原理一致，請讀者自行參考。
03 脈沖及瞬態沖擊電流時熔斷器的選擇
熔斷器所保護的負載的電流、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、熔化熱能值等參數的要求和選擇有較大的影響，在一些場合這些參數間很可能會發生設計或選擇上的矛盾。下面針對工作在脈沖或瞬態沖擊電流下的熔斷器的選擇方法進行介紹。
脈沖或瞬態沖擊電流對熔斷器的影響主要反映在熔斷器的熱效應上。圖1-1 所示為脈沖形電流的示意圖。在脈沖電流持續期間，熔體會迅速升溫；而脈沖電流為零期間，熔體即降溫。這樣脈沖電流會產生熔體的最高溫度與平均溫度不同的現象，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。嚴重時，就會產生脈沖電流持續時所產生的熱量已可使熔體幾近熔斷，但在整個周期內，熔體的平均溫度尚未達到熔點的情況。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商還提供有熔體的脈沖循環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和歸納，如圖3-4所示。根據具體工作波形，可選擇圖中最接近的波形做近似計算。
在一些熔斷器應用場合，被保護設備對熔斷器的參數要求可能會出現沖突。比如，圖3-5（a）所示的半導體整流裝置，為抑制EMI傳導干擾，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，因此當該裝置上電時，會出現圖3-5（b）所示的Inrush電流。按照第二節中半導體整流裝置熔斷器的選取方法，為有效保護半導體功率器件，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 熔體脈沖循環承受能力
圖3-4 典型波形I2t值近似計算
圖3-5 半導體整流裝置及其沖擊電流
這時，通過增加、調整該設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，使沖擊電流不流過熔斷器，熔體按保護半導體整流裝置的原則選擇即可。當然，這種方式存在熔斷器保護范圍不全面的風險，如電容C短路時無法提供保護。（b）方法是在熔斷器上串聯電阻，可使開機沖擊電流降低，同時又能對半導體整流裝置提供保護。當然，這種方法存在電阻平時耗能和分壓的問題，利用在電阻旁并聯自動開關或負溫度（NTC）系數熱敏電阻即可解決。NTC熱敏電阻具有電阻值隨內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，其內部溫升提高，電阻值繼而下降，使得負載正常工作時，NTC熱敏電阻上的電壓降已很小。（c）案將電阻串聯在電容支路上，也可減小沖擊電流，但會使C的濾波或動態響應能力下降。上述三種方法各有優缺點，具體選用哪一種方案由電路設計者根據實際應用需要而定。
圖3-6 電容和半導體整流電路的熔斷器設計方案
