Fuse 선정 가이드

결론: 퓨즈는 전류에 의한 온도 상승에 의해서 파손되는 소자임. 파손 전에 아킹이 발생. 반도체와 비슷하나 재질이나 제작 과정에서 반도체보다는 오차가 많을 것으로 판단됨. 즉 버퍼를 두고 설계를 해야 하며, 퓨즈 선정 후 평가를 꼭 해야 함. 

퓨즈 선정시 정격 전류는 TCC(Time-Current Curve) graph를 이용하고, pulse 전류는 Pulse energy model (I2t)을 이용해서 알맞는 퓨즈를 선정해야 함. 퓨즈는 정격의 75% 사용 전류를 추천함. Fuse holder의 경우 정격 전류값의 60% 이하의 사용 전류를 적용할 것. 

 

 

• Fuse Characteristics, Terms, and consideration factors

Ambient Temperature (주변 온도): 퓨즈 주변 공기 온도를 나타내며 "실내 온도"와 다름. 퓨즈 주변 온도는 패널 장착 퓨즈 홀더와 같이 밀폐되어 있거나 저항, 변압기 등과 같은 열을 발생시키는 다른 부품 근처에 장착되어 있기 때문에 주변 온도 상당히 높습니다.

 

Current rating: 퓨즈의 공칭 전류 값. 제조 업체가 제어된 테스트 조건을 기반으로 전류 값을 설정함

 

Rerating: 주변 온도가 25°C에서 제어된 테스트 조건을 사용하여 설정된 공칭 전류 정격의 75% 이하에서 퓨즈를 작동하는 것이 좋습니다. 테스트 조건은 UL/CSA/ANCE 248-14 "추가 과전류 보호용 퓨즈"의 일부이며, 이의 주요 목적은 화재, 충격 등으로부터 보호하기 위해 제조된 품목을 지속적으로 제어하는 데 필요한 공통 테스트 조건을 지정하는 것입니다. 일부 이러한 조건의 일반적인 변형에는 완전히 밀폐된 퓨즈 홀더, 높은 접촉 저항, 공기 이동, 일시적인 스파이크 및 연결 케이블 크기(직경 및 길이)의 변화가 포함됩니다. 퓨즈는 기본적으로 온도에 민감한 장치입니다. 제어된 테스트 조건에서 작은 변화라도 퓨즈가 공칭 값(일반적으로 정격의 100%로 표현됨)으로 로드될 때 퓨즈의 예상 수명에 큰 영향을 미칠 수 있음.

 

회로 설계 엔지니어는 이러한 제어된 테스트 조건의 목적이 퓨즈 제조업체가 제품에 대한 통일된 성능 표준을 유지할 수 있도록 하는 것이며 애플리케이션의 다양한 조건을 고려해야 한다는 점을 분명히 이해해야 합니다. 이러한 변수를 보상하기 위해 장비의 문제 없는 긴 수명 퓨즈 보호를 설계하는 회로 설계 엔지니어는 일반적으로 제조업체가 나열한 공칭 정격의 75% 이하로 퓨즈를 로드합니다. 단락 보호가 적절하게 제공되어야 합니다. 퓨즈에 흐르는 전류에 의해 발생하는 퓨즈 온도는 주변 온도 변화에 따라 증가하거나 감소합니다. 퓨즈 선택 체크리스트 섹션의 온도 재등급 곡선은 주변 온도가 퓨즈의 공칭 전류 정격에 미치는 영향을 보여줍니다. 대부분의 기존 Slo-Blo® 퓨즈 설계는 녹는점이 낮은 재료를 사용하므로 주변 온도 변화에 더 민감합니다.

 

Fuse Characteristics: 퓨즈 설계의 특성은 다양한 전류 과부하에 얼마나 신속하게 반응하는지를 나타냅니다. 퓨즈 특성은 초고속 작동, 고속 작동 또는 Slo-Blo®의 세 가지 일반 범주로 분류될 수 있습니다. Slo-Blo® 퓨즈의 구별되는 특징은 정상적인 초기 또는 시동 과부하 펄스를 견딜 수 있도록 설계된 추가 열 관성을 갖는다. 그러나 Slo-Blo® 퓨즈는 생각보다 많이 크다. 만약 사용한다면 장착 위치를 잘 고려해야 할 듯. 

 

Fuse Construction: 퓨즈 구조 내부 구조는 폼 팩터와 전류량 정격에 따라 달라질 수 있습니다.

 

Fuse Holder: 퓨즈홀더 많은 응용 분야에서 퓨즈는 퓨즈홀더에 설치됩니다. 이러한 퓨즈 및 관련 퓨즈 홀더는 전원을 "켜고" 끄는 "스위치"로 작동하도록 설계되지 않았습니다.

 

Interrupting Rating: 차단 정격 차단 용량 또는 단락 정격으로도 알려진 차단 정격은 퓨즈가 정격 전압에서 안전하게 차단할 수 있는 최대 승인 전류입니다. 오류 또는 단락 상태에서 퓨즈는 정상 작동 전류보다 몇 배 더 큰 순간 과부하 전류를 받을 수 있습니다. 안전한 작동을 위해서는 퓨즈가 손상되지 않은 상태로 유지되고(폭발 또는 본체 파열 없음) 회로를 제거해야 합니다. 

 

Nuisance Opening: 애플리케이션에서 원치 않는 퓨즈 개방을 설명하는 데 사용되는 용어입니다. 이는 고려 중인 회로를 완전히 분석하지 않고 선택한 퓨즈의 결과인 경우가 가장 많습니다. 퓨즈 설계시 정상 작동 전류, 주변 온도 및 펄스를 고려해야한다.

 

Resistance: 퓨즈의 저항은 일반적으로 전체 회로 저항에서 중요하지 않은 부분입니다. 

 

Time-Current Curve: 퓨즈 특성을 그래픽으로 표현한 시간-전류 곡선은 일반적으로 설계 지원으로 제공되는 평균 곡선이지만 일반적으로 퓨즈 사양의 일부로 간주되지는 않습니다. 시간-전류 곡선은 퓨즈를 정의하는 데 매우 유용합니다. 동일한 전류 정격을 가진 퓨즈가 상당히 다른 시간-전류 곡선으로 표시될 수 있기 때문입니다. 퓨즈 사양에는 일반적으로 정격의 100%에서의 수명 요구 사항과 과부하 지점에서의 최대 개방 시간(퓨즈 표준 특성에 따라 일반적으로 정격의 135% 및 200%)이 포함됩니다. 시간-전류 곡선은 설계의 평균 데이터를 나타냅니다. 그러나 특정 생산 로트의 값에는 약간의 차이가 있을 수 있습니다. 퓨즈를 선택한 후에는 성능을 확인하기 위해 샘플을 테스트해야 합니다.

반도체처럼 완벽한 데이터는 아닌듯. 

 

UL Fuse: "Listed by UL"에 대한 참조는 퓨즈가 UL/CSA/ANCE 248 표준 시리즈의 요구 사항을 충족함을 의미합니다. 일부 32V 퓨즈(자동차)는 UL 275에 나열되어 있습니다. "Recognized under the Component Program of UL"이라는 언급은 항목이 UL의 구성 요소 프로그램에 따라 인식되고 적용 승인이 필요함을 의미합니다.

 

Voltage Rating: 전압이 퓨즈 정격 전압 이하인 회로에서 정격 단락 전류를 안전하게 차단함을 나타냅니다. 대부분의 소형 퓨즈에 대해 퓨즈 제조업체에서 사용하는 표준 전압 정격은 32, 63, 125, 250 및 600V입니다.

퓨즈는 전압이 아닌 전류 변화에 민감하여 퓨즈의 최대 정격까지 모든 전압에서 "상태"를 유지합니다. 퓨즈 요소가 녹고 아크가 발생하고 나서야 회로 전압과 사용 가능한 전력이 문제가 됩니다. 

요약하면, 퓨즈는 퓨즈 특성을 손상시키지 않고 정격 전압보다 낮은 모든 전압에서 사용할 수 있습니다.

 

Derivation of Nominal Melting I2t  

Nominal Melting I2t는 퓨즈를 녹이는 에너지 양을 의미함. 

전류 펄스가 퓨즈에 적용되고 용융이 발생하는 데 걸리는 시간이 측정됩니다. 약 8밀리초(0.008초) 이하(또는 박막 퓨즈의 경우 1밀리초[0.001초] 이하)의 짧은 시간 내에 용융이 발생하지 않으면 펄스 전류 수준이 증가합니다. 이 테스트 절차는 퓨즈 요소의 용융이 약 8밀리초(또는 박막 퓨즈의 경우 1밀리초) 이내에 제한될 때까지 반복됩니다.

이 절차의 목적은 생성된 열이 퓨즈 요소에서 열을 전도하기에 충분한 시간을 갖지 않도록 하는 것입니다. 즉, 열에너지(I2t)를 모두 용융시키는 데 사용됩니다. 전류(I)와 시간(t)의 측정값이 결정되면 용융 I2t를 계산하는 것은 간단합니다. 

Melting 단계가 완료되면 퓨즈 요소가 "opening" 직전에 전기 아크가 발생합니다.

Clearing I2t = Melting I2t + Arcing I2t

 

Current-Limiting Effect of Fuses

전류가 많이 흐를 경우 퓨즈가 녹기 직전에 아킹이 발생함.

 

• 퓨즈 선정 요소

퓨즈 선정에는 변수가 많기 때문에 필히 Application testing을 해야 함

 

1. Normal operating current

퓨즈의 정격 전류는 일반적으로 잦은 파손을 방지하기 위해 25°C에서 작동할 때 25% 감소됩니다. 예를 들어, 정격 전류가 10A인 퓨즈는 주변 온도 25°C에서 7.5A 이상으로 작동하는 경우 일반적으로 권장되지 않음

 

2. Application voltage

퓨즈의 정격 전압은 시스템 전압과 같거나 커야 함

 

3. Ambient Temperature

퓨즈의 current-carrying capacity 시험은 25°C에서 수행되며 주변 온도 변화에 영향을 받습니다. 주변 온도가 높을수록 퓨즈가 더 뜨겁게 작동하고 수명이 짧아집니다. 반대로, 더 낮은 온도에서 작동하면 퓨즈 수명이 연장됩니다. 퓨즈는 또한 정상 작동 전류가 선택한 퓨즈의 정격 전류에 접근하거나 초과함에 따라 더 뜨거워집니다. 실제 경험에 따르면 정격 전류의 75% 이하에서 작동하는 경우 실온에서 퓨즈가 무한정 지속됨니다.

1.5A 동작 전류를 상온에서 사용하는 경우 휴즈 용

Slo-Blo 퓨즈를 75도에서 사용하는 경우 percent of rating은 80%

 

4. Overload current condition

전류 또는 전류/최대 동작 시간을 고려해서 전류값이 선정되어야 한다. 퓨즈는 반응이 빠르지 않은 수동 소자이므로 전류는 평균 값을 기반으로 한다. 

TCC의 x축은 전류를 y축은 퓨즈의 virtual pre-arcing(melting) 시간을 의미한다. 이는 과전류 상태가 시작된 시점부터 퓨즈 내부에서 순간 아크가 시작되는 시점까지의 시간 범위입니다.

퓨즈의 용해 시간을 결정하려면 먼저 시간/전류 곡선 예 그래프에 표시된 대로 x축(기준점 A)에서 (과부하) 전류를 찾습니다. A 지점에서 B 지점의 퓨즈 TC 곡선과 교차할 때까지 위쪽으로 선을 연장합니다. 그런 다음왼쪽으로 이동하여 퓨즈의 사전 아크(용해)를 나타내는 y축(점 C 참조)에서 해당 값을 식별합니다. y축의 값이 퓨즈의 pre-arcing (melting) 시간이다.

 

 

5. Maximum fault current

퓨즈의 차단 정격은 회로의 최대 fault 전류를 충족하거나 초과해야 합니다.

 

6. Pulses

Pulse는 surge current, start-up current, inrush current, and transient 전류를 포함한다. 

각각의 pulses를 정의하거나 평가한 후에 TCC 곡선과 I2t 정격과 비교해야 한다. 시스템 평가로 검증되어야 한다. 

I2t 값은 퓨즈 자체의 매개 변수이며 퓨즈 요소의 구성 및 요소 재질에 의해 제어됩니다. 앞에서 설명한 것처럼 normal operating current, rerating, 주변 온도 및 I2t 설계 방식을 적용해야함. 

 

Normal melting I2t는 각 퓨즈 요소 설계에 대해 상수 값일 뿐만 아니라 온도 및 전압에도 영향을 받지 않습니다. 대부분의 경우 퓨즈 선택의 norminal melting I2t 방법은 퓨즈가 짧은 기간 동안 큰 전류 펄스를 유지해야 하는 응용 분야에 적용됩니다. 이러한 고에너지 전류는 많은 응용 분야에서 일반적이며 설계 분석에 중요합니다.

 

예제) Select a 125 V, very fast-acting PICO2® fuse that is capable of withstanding 100,000 pulses of current (I) of the pulse waveform shown in the Common Pulse Waveforms figure. 

step 1. Pulse energy model (I2t)에서 아래 수식을 적용한다.

 

step 2. Pulse cycle withstand chart에서 100,000 발생은 22%이므로

 

 

step3. PICO, 125V, very fast-acting 퓨즈의 I2t 정격을 조사한다. 필요한 값은 0.2327A2sec이므로 P/N 251001, 1A가 0.256A2Sec를 적용한다. 1A 퓨즈는 normal operating current는 0.75A이어야 한다. 

 

7. Physical size limitation

시스템에 적용 가능한 크기, J/BOX, Fuse holder의 크기를 고려하여 선정한다.

 

8. Agency approvals. 

필요 표준을 만족해야 한다. 미국은 UL을 많이 적용

 

9. Fuse features

 

10. Fuseholder rerating

주변 온도가 25°C인 경우 Underwriters Laboratories에서 지정한 통제된 테스트 조건을 사용하여 설정된 norminal current rating의 60% 이하에서 퓨즈 홀더를 작동하는 것이 좋습니다. 이러한 UL 테스트 조건의 주요 목적은 화재 및 감전 위험으로부터 보호하기 위해 제조된 품목을 지속적으로 제어하는 데 필요한 공통 테스트 표준을 지정하는 것입니다. Underwriters Laboratories에서 퓨즈 홀더에 구리 더미 퓨즈를 삽입한 후 특정 온도 상승이 발생할 때까지 전류를 증가시킵니다. 대부분의 열은 퓨즈 홀더 클립의 접촉 저항으로 인해 발생합니다. 이 전류 값은 퓨즈 홀더의 정격 전류로 간주되며 정격의 100%로 표시됩니다. 보다 일반적이고 일상적인 응용 분야 중 일부는 완전히 밀폐된 퓨즈 홀더, 높은 접촉 저항, 공기 이동, 일시적인 스파이크 및 연결 케이블 크기(직경 및 길이)의 변화 등 이러한 UL 테스트 조건과 다를 수 있습니다. 제어된 테스트 조건에서 작은 변화라도 퓨즈 홀더의 정격에 큰 영향을 미칠 수 있습니다. 이러한 이유로 퓨즈 홀더를 40%까지 감소시키는 것이 좋습니다(앞서 설명한 것처럼 Underwriter Laboratories 테스트 조건을 사용하여 설정된 공칭 전류 정격의 60% 이하에서 작동).

 

11. Testing

주어진 애플리케이션에 맞는 퓨즈를 선택할 때 여기에 제시된 요소를 고려해야 합니다. 다음 단계는 실제 회로에서 선택한 퓨즈를 테스트 하는 것이다. 샘플을 평가하기 전에 적절한 크기의 와이어나 트레이스를 사용하여 퓨즈가 정상적으로 연결되어야 한다.  테스트에는 퓨즈가 회로에서 제대로 작동하는지 확인하기 위해 normal condition에서 life test와 fault condition에서 overload test가 포함되어야 한다.

 

 

 

 

 

 

 

* 참고자료: https://m.littelfuse.com/~/media/electronics/product_catalogs/littelfuse_fuseology_selection_guide.pdf.pd