CN103650090B - 能够断开具有电感特性的dc线路的dc电流中断系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能够断开具有电感特性的DC线路的DC电流中断系统，包括：第一机械断路器（S0），第二机械断路器（S1）以及包括至少一个晶体管的电子过电压保护电路（B1，B2）。本发明的DC电流中断系统进一步包括电子开路系统（72，76），所述电子开路系统（72，76）包括无源电路，所述无源电路能够在所述第一机械断路器断开的情况下对所述电子过保护电路进行自动偏置，以便触发所述至少一个晶体管（M1，M2，IG1）的切换从而使得可以限制DC线路中的电压和电流，通过随后断开所述第二机械断路器（S1）获得所述DC线路的完全中断。

Description

能够断开具有电感特性的DC线路的DC电流中断系统

技术领域

本发明涉及一种能够断开具有电感特性的直流（DC）线路的DC电流中断系统。

更一般地，本发明的领域为DC断路器领域。

背景技术

DC断路器广泛地使用在各种工业、航空和汽车应用中或用于能量分配。DC断路器使得可以获得长距离的DC线路或总线上的满负荷，因而其具有电感特性，以便将能量源与网络或负荷进行隔离。

已知的是，在高功率的情况下，DC线路的断开产生由储存在电力网络中的能量引起的强电弧。为了中断这些电弧，现有技术中已知的是各种基于成本高且复杂的机械断路器的解决方案。

已经提出实现了基于半导体的电子部分和机械部分的混合解决方案。

出版在期刊IEEETransactionsonComponentsandPackagingTechnologies第31卷第2期上，于2008年6月2日出版的由J.Swinger和J.Mcbride提出的，题为“Micro-ArcingandArcErosionMinimizationUsingaDCHybridSwitchingDevice（利用直流混合开关装置使微电弧和电弧侵蚀最小化）”的论文中提出了一种混合断路器，该混合断路器包括一系列的三个机械断路器以及阻止电弧效应的MOSEFT型的场效应晶体管。为了正确工作，在该解决方案中必须根据精确的顺序来执行机械断路器的启动，这是一种工作限制。另外，这种解决方案仅适用于40伏（V）左右的电压和2.5安（A）左右的电流，因此，不适用于具有较高电压的直流线路的应用。

正如光电应用之类的多种应用需要600伏左右的电压和30安左右的电流。

期望的是，克服现有技术的缺点，并且获得简化的且尤其能用于高电压领域的DC机械断路器。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供能够断开具有电感特性的DC线路的DC电流中断系统，包括：第一机械断路器，第二机械断路器以及包括至少一个晶体管的电子过电压保护电路。所述DC电流中断系统的特征在于其进一步包括电子开路系统，所述电子开路系统包括无源电路，所述无源电路能够在所述第一机械断路器断开的情况下对所述电子过保护电路进行自动偏置，以便触发所述至少一个晶体管的切换从而使得可以限制DC线路中的电压和电流，通过之后断开所述第二机械断路器来获得所述DC线路的完全中断。

有利地，所述电子开路系统负责所述第一机械断路器，并允许所述保护电路的延迟的自偏置，该保护电路能够吸收由电源瞬时释放的能量，使得可以执行中断的同时仍避免任何电弧。所述保护电路可以充分地限制电流的强度，因而第二机械断路器的启动不需要与第一机械断路器的启动同步，因此在断路器的排序上没有强烈的约束。在根据本发明的电流中断系统中，简单的且低成本的机械断路器足以满足需要。

根据本发明的DC电流中断系统可具有以下特征中的一个或多个：

-所述电子保护电路包括并联安装的多个场效应晶体管，所述场效应晶体管能够在所述第一断路器的断开之后的第一步骤中切换到电阻模式，随后在电压达到预定值时的第二步骤中切换到击穿模式；

-所述电子保护电路进一步包括击穿平衡系统，所述击穿平衡系统可以使所述多个场效应晶体管准同步地在击穿模式下工作；

-所述击穿平衡系统包括分别与场效应晶体管串联安装的电阻器；

-所述电子保护电路包括能够限制所述电压的第一方框以及能够限制电流的第二方框，所述第一方框包括至少一个第一类型的晶体管，所述第二方框包括至少一个第二类型的晶体管；

-所述第二方框包括：对于每个第二类型晶体管而言，与该晶体管串联安装的电阻器；

-所述DC电流中断系统包括两个电子开路系统，即所述两个电子开路系统能够启动所述第一方框的具有快速自偏置的第一电子开路系统和能够启动所述的具有缓慢自偏置的第二电子开路系统，以使得在所述第一机械断路器断开的情况下，在通过所述第一方框来限制电压之后继以通过所述第二方框来限制电流；

-在所述第一机械断路器的断开的情况下，按顺序执行以下阶段：

-通过所述具有快速自偏置的电子开路系统来使所述第一方框生效，所述至少一个第一类型的晶体管运行在电阻模式；

-通过所述具有缓慢自偏置的电子开路系统来使所述第二方框生效，所述至少一个第一类型的晶体管处于非接通模式；

-当所述电压达到预定值时使所述第一方框生效，所述至少一个第一类型的晶体管工作在击穿模式中；

-所述第一类型的晶体管为MOSFET晶体管，并且所述第二类型的晶体管为IGBT晶体管；

-所述电子开路系统包括至少一个无源电路，所述无源电路包括与电容器串联安装的二极管以及与所述电容器并联安装的电阻器；

-根据所述DC线路的电压、电流和电感限制来确定并联安装在所述保护电路中的晶体管的数量。

附图说明

出于例示的目的而绝非意在限制，本发明的其它特征和优点将参照附图呈现在下文提供的描述中，附图为：

图1为DC电流中断系统的框图；

图2示出了根据本发明的DC电流中断系统的第一实施例；

图3至图6示出了图2的DC电流中断系统的工作；

图7示出了根据本发明的DC电流中断系统的第二实施例；

图8示出了根据本发明的DC电流中断系统的第三实施例；

图9示出了根据本发明的DC电流中断系统的第四实施例；

图10为包括曲线的图表，所述曲线示出了基于针对20伏/2.5安线路的第四实施例的DC电流中断系统的启动的电流和电压的变化。

图11示出了根据本发明的DC电流中断系统的第五实施例。

具体实施方式

将在下文中进行描述具有MOSFET（“金属氧化物半导体场效应晶体管”）类型的场效应晶体管的DC电流中断系统。然而，本发明可应用任一类型的半导体元件，并且尤其可应用任意类型的场效应晶体管。

这里考虑的优选应用为：将本发明的DC电流中断系统用于光伏电流的产生构架中，从而生成总线电流或600伏/30安的高压直流线路。然而，本发明的应用通常具有大范围的DC总线限制，所述范围为从20伏到900伏的电压范围（目前MOSFET元件的最大电压），而电流大小与并联连接的半导体元件的数量有关。根据DC总线的限制，可相对于目标应用来限定各个元件的大小。

图1所示的DC电流中断系统10（下文简称为中断系统）能够断开电源S与负荷C之间的DC线路12。该系统包括两个机械断路器S0，S1，以及具有无源电路的电子开路系统14，所述电子开路系统对过电压保护电路B起具有延迟的电子断路器的作用，所述过电压保护电路B包括至少一个半导体元件或晶体管。

当启动第一断路器S0时，电流流进电子开路系统14，所述电子开路系统14经由自偏置晶体管开关或快速到达其饱和状态的保护电路B的晶体管来启动，这触发其断路并可以阻止任何电弧。

另外，保护电路B将电流限制到几乎为零的值，于是允许第二断路器S1的断开用于全部中断。

由于电子开路系统14，因此不需要电子保护电路的额外的控制器件，并且避免了电弧。

图2示出了具有MOSFET类型的晶体管的DC电流中断系统20的第一实施例。在该图的示例中，电子开路系统14包括无源电路22，所述无源电路22包括与电容器C2串联安装的二极管D1以及与电容器C2并联安装的电阻器R4。电阻器R3与无源电路22串联安装。

图2中所示的电子开路系统14进一步包括电阻器R5。

中断系统20进一步包括与电阻器R5并联安装的齐纳二极管ZD2。该二极管为选配的，并且具有防止晶体管的栅极遭受可导致其破坏的临时过电压的作用。

电子保护电路B包括并联安装的两个MOSFET元件M1和M2，并且电阻器R1，R2中的分别与晶体管中的一个串联安装。

来自平衡系统24的电阻器用于分担击穿模式下的两个MOSFET元件M1和M2之间的能量。实际上，在实践中，MOSFET元件的击穿电压Vbr可略微不同于理论上制造的击穿电压。甚至并联安装的MOSFET元件的击穿电压之间的微小的差异可对能量分配造成实质性的影响。

实际上，如果例如MOSFETM1具有高于MOSFETM2的击穿电压，那么MOSFETM2首先切换到击穿模式并吸收电路的所有能量，并且没有电流流经处于更高的击穿电压下的MOSFETM1。在这种情况下，尽管将这些元件进行并联安装的目的在于允许对高于单一元件所能支持的能量进行吸收，但是两个MOSFET元件之间没有能量分配。

为了阻止在并联安装的MOSFET元件实际上具有不相等的击穿电压时所发生的失衡，在每个MOSFET元件的漏极侧布置低电阻值的电阻器。例如，用于相应的元件M1和M2的R1=R2=1欧姆的电阻器具有Vbr=900伏的理论击穿电压，并且推荐的相应的实际击穿电压为在该击穿电压上增加10伏或减去10伏。

同样地，当击穿电压最低的MOSFET元件进入击穿模式时，该MOSFET元件的漏极电流显著地增加，并且在相应的平衡电阻器端子处的电压也明显地增加。该电压还被施加于并联的支路，这样使得也可以达到第二支路中的击穿电压，并且使得还可以启动第二MOSFET元件进入击穿模式。

中断系统20具有无源电容电路22以及并联安装的多个MOSFET晶体管，对该中断系统20进行修改以限制用于具有低限制条件的DC线路的电压和电流，从而具有低于3mH（毫亨）的电感和高达10安的电流，。

图3到图6详细地示出了图2的中断系统20的工作。

在标称工作中，如在图3中所示，两个断路器S0和S1闭合，元件M1和M2处于截止模式。DC总线闭合，并且电流根据图3中所示的线路流动。

如图4所示，当第一断路器S0断开且第二断路器S1保持闭合时，在对电容无源电路进行充电期间，电流根据线路32流动，并且根据流动路线34和36（如图4e中点划线所示）经由R3对MOSFET元件M1和M2的栅极进行快速充电。所述两个晶体管进入电阻模式，电流根据图4中的线路38，40流动，同时电容无源电路被持续充电。R3，R5和C2所选择的值使其可以控制该充电状态。例如，对于5安的电流，可选择R3=3欧姆，R5=100欧姆以及C2=10纳法（nF，纳法）。

当完成电容器C2的充电时，如图5所示，所述电容器C2作为开路断路器。MOSFET元件的栅极经由R5进行放电，从而引起每个MOSFET的电压Vds的增加，然后如图5中点划线42和44所示，该MOSFET元件切换到击穿模式。二极管D1的作用是防止击穿事件之后电压Vds相当大的振荡。

在两个MOSFET晶体管发生击穿事件之后，如图6所示，较低的剩余电流根据经过电阻器R6-R3-R5的线路46继续流动。然后，第二断路器S1断开以中断该较低的剩余电流。S1的断开使DC总线12的断开完成，并且完全隔离了电源的负荷。

实际上，保护电路B中待并联布置的MOSFET元件的数量取决于该元件的具体的击穿电压以及限制的击穿电压，尤其是用于DC总线的电压和电感。

就此而言，对于600伏/30安的总线，所使用的九个具有CoolMOS（注册商标）技术的SPA17N80C3型的MOSFET元件对于具有3毫亨的电感的总线具有800伏的击穿电压，或者对于具有5毫亨的电感的总线使用14个这样的元件。因此对于高电压总线，所需要的MOSFET元件的数量是相当高的。

图7示出了根据本发明的DC电流中断系统的第二实施例，由于该实施例需要较少数量的并联的MOSFET元件，因此，该实施例更适用于高电压DC总线。

在该实施例中，中断系统结合了MOSFET型晶体管与IGBT晶体管（绝缘栅双极型晶体管）。

中断系统70包括：具有无缘电路74的第一电子开路系统72以及具有无缘电路78的电子开路系统76；所述电子开路系统72为可快速断开的能够启动第一方框B1的自偏置系统，第一方框B1包括并联安装的两个第一类型的晶体管，即MOSFET晶体管M1和M2；所述电子开路系统76为可缓慢断开的能够启动第二方框B2的自偏置系统，第二方框B2包括一个或多个第二类型晶体管，这里为IGBTIG1晶体管。方框B21和B2构成功能上等同于保护电路B的电路。

无源电路74，78中的每个电路与图2的无缘电路22的方式类似，包括：与电容器（C3，C2）串联安装的二极管（D1，D2），与电容器并联安装的电阻器（R6，R4）。

用于构成快速断开系统（与缓慢断开系统相比，快速断开系统的电容器充电更快）的断开延迟受控于控制支路的时间常数的选择（例如，最快为100纳秒，并且最慢为1.5微秒），所述时间常数通过为电容和电阻选择适当的值来获得。

例如，对于无源电路76可选择C2=10纳法，R6=800千欧姆，并且对于无源电路78可选择C2=1纳法，R4=800千欧姆。可选择二极管D1，D2以在非常短的时间内流过所有DC线路的电流，例如，使用了1kV,30A的二极管。

各电子开路系统72，76与图2的开路电路14的方式类似，其进一步包括用于开路系统76的电阻器R3，R5和用于开路系统72的电阻器R7，68。例如，这些电阻器的数值可采用以下数值：R3=50欧姆，R5=1500欧姆，R7=1欧姆，R8=10欧姆。

包括MOSFET元件的第一方框B1意在限制电压并防止电弧，并且第二方框B2允许对更快速电流的限制。

第一方框B1进一步包括与图2的平衡系统24的方式类似并且功能相同的平衡系统79，所述平衡系统79具有在每个MOSFET晶体管的漏极处串联安装的电阻器。

在工作中，在第一断路器S0断开的情况下，无源电路74被充电，并且方框B1的MOSFET晶体管的栅极被快速充电。MOSFET元件开始在电阻模式下运行。在此期间，第二无源电路78也被充电，并且第二方框B2的IGBT元件变为导通。

当无源电路74达到其完全充电时，发生中断，并且MOSFETM1和M2也被中断。

第二方框B2的IGBT元件开始作用直到无源电路78的电容器C2被完全充电。然后，IGBT元件切换并基本上限制DC总线的电流。

电流的明显下降会引起过电压峰值，该过电压峰值被当DC总线电压超过MOSFET元件的击穿电压Vbr时切换到击穿模式的MOSFET元件吸收。如以上参照图2的描述，平衡系统79可以在不同的MOSFET晶体管之间分配能量吸收。

晶体管在击穿模式下的工作可以阻止IGBT元件在过电压上工作，因此，保护该IGBT元件。

在击穿事件之后，方框B1的MOSFET晶体管以及方框B2的IGBT晶体管都处于中断模式，并且电流降低至较低的剩余电流，该较低的剩余电流易于通过第二断路器S1进行中断。

在图8所示的第三实施例中，中断系统80的第二方框B2由并联安装的多个IGBT构成。事实上，单个IGBT元件的中断能力会不足以吸收电流总线的瞬时电流；所述单个IGBT元件的中断能力以该元件相关的SOA（“安全工作区”）进行描述，其指定了可将给定的电功率脉冲施加在IGBT上的时长。

待插入第二方框B2的IGBT元件的数量取决于DC总线的约束，并且还取决于第一方框B1的MOSFET晶体管击穿电压。在该实施例中，IGBT元件的耐电压必须高于MOSFET元件的电压Vbr。MOSFET元件的耐电压和其最大的击穿能量必须使得可以消除存储在网络中的能量。

就此而言，例如，可采用一个或多个1千伏，50安的IGBT与一个或多个900伏，0.7毫焦（mJ，毫焦）的MOSFET相关联，以便获得快速中断。

图9示出了根据本发明的中断系统的第四实施例，该实施例在元件数量与成本上是最佳的。

图9的中断系统90类似于图7的中断系统70，并且包括第一断路器S0与第二断路器S1，快速电子开路系统72和缓慢电子开路系统76，方框B1和方框B2。

与图7的实施例不同的是，方框B2进一步包括与IGBT元件的集电极串联安装的电阻器R9，以这种方式来辅助该元件的切换。事实上，IGBT接通状态下的能量的一部分将被元件R9消除，这样使得可以降低IGBT元件上的约束并且代之以使得IGBT处于有保障工作模式下。

根据IGBT元件的特性对电阻器R9的电阻值进行选择。例如，20安/1200伏的IGBT元件则选择R9=40欧姆的电阻器。

实际上，通过使用具有辅助IGBT元件的切换的电阻的中断系统90，可使用两个1200伏的IGBT元件（例如FGA20S120M元件）以及两个具有900伏的击穿电压的MOSFET元件（例如IPP90R340C3元件）。这种拓扑相对于第一实施例可降低中断系统的成本，在第一实施例中将需要六个并联安装的具有900伏击穿电压的MOSFET元件。

图9的中断系统90以类似于中断系统70的方式进行工作，中断系统70的工作已参照图7进行了描述。

开路系统72，76触发相应的方框B1，B2，首先B1的晶体管处于电阻模式，然后进行晶体管的切换或方框B2的IGBT晶体管的切换，最后具有MOSFET晶体管的方框B1恢复为击穿模式以最终达到接近零的电流。

图10的曲线示出了，当实施图9的中断系统时，由曲线92所示的总线电流随时间的变化，并且由曲线94所示的第一断路器的端子处的电压随时间的变化。所绘制的曲线使用20伏/2.5安指示，但是对于更高的电压具有类似的特性。

曲线分为五个阶段，编号为P1到P5。

第一阶段P1中，在断开第一断路器S0并且断开电子开路系统72，76的充电的情况下，在短时段期间，电流和电压处于其正常值。

然后，由于存在具有快速无源电路72的电子开路系统，包括MOSFET晶体管的方框B1在电阻模式下切换到导通，在阶段P2期间，电流降低，电压增加。MOSFET晶体管的作用在于避免电弧，同时还略微降低电流。

具有IGBT元件的方框B2在接下来的阶段P3开始作用，以继续对电流的限制，而方框B1切换到非导电模式或截止模式。电压继续增加直到该电压达到MOSFET元件的击穿电压值。在这个时刻，方框B1的MOSFET晶体管在阶段P4期间切换到击穿模式。在击穿期间，电压保持稳定，直流降低。

最后，电流在阶段P5期间达到较低的稳定值。电压曲线94示出了在稳定之前的轻微振荡。可在任一时刻启动第二断路器S1，以完全中断电流。

图11示出了根据本发明的中断系统100的第五实施例，该实施例使得可相对于图9的实施例进一步改进对机械触点的端子处出现电弧的防止。

在该实施例中，通过增加包括另一无源电路的第二支路来对快速电子开路系统72进行改善；所述第二支路包括与电容器或电容C4串联安装的二极管D3，还包括与电容器C4并联安装的电阻器R10。举例来说，对于大于3安的电流，可推荐以下元件的值，具有击穿电压Vbr=900伏的MOSFET元件的系统运行在：C4=500纳法，R10=800千欧姆。在将MOSFET元件置于导通状态下的时段期间，1千伏/30安的二极管D3适用于通过DC线路的所有电流。

电容器的添加使得可以在机械断路器S0断开之后的第一瞬间吸收网络的能量的一部分，这使得可以在将方框B1的MOSFET元件置于导通状态期间防止电弧的形成。二极管D3和电阻器R10控制电容器C4的放电。该系统使得可相对于第四实施例以较低额外成本来更好地防止电弧，尤其对于大于3安的电流。

就此而言，本文提出的执行DC电流线路中断系统的各种模式允许使用低成本机械断路器，且对其相应的断开顺序基本上没有约束，并且半导体电子元件用于防止电弧和DC线路的电感特性造成的过电压。中断系统的拓扑之间的选择根据DC总线的限制，即根据DC总线的限制选择仅包括并联安装的晶体管的中断系统的拓扑或使用两方框的拓扑，所述两方框为第一类型的晶体管方框（例如MOSFET）以及第二类型的晶体管方框（例如IGBT）。

Claims (9)

1.能够断开具有电感特性的DC线路的DC电流中断系统，包括：第一机械断路器(S0)，第二机械断路器(S1)以及电子过电压保护电路(B，B1，B2)，所述电子过电压保护电路(B，B1，B2)包括至少一个晶体管，

所述DC电流中断系统进一步包括：电子开路系统(14，72，76)，所述电子开路系统(14，72，76)包括无源电路(22，74，78)，所述无源电路(22，74，78)能够在所述第一机械断路器(S0)断开的情况下对所述电子过电压保护电路(B，B1，B2)进行自动偏置，以便触发所述至少一个晶体管(M1，M2，IG1，IG2)的切换从而使得可以限制所述DC线路中的电压和电流，通过之后断开所述第二机械断路器(S1)来获得所述DC线路的完全中断,

其特征在于，所述电子过压保护电路(B)包括：并联安装的多个场效应晶体管(M1，M2)，所述多个场效应晶体管能够在所述第一机械断路器的断开之后的第一步骤中切换到电阻模式，随后在电压达到预定值(Vbr)时的第二步骤中切换到击穿模式，并且

所述电子过压保护电路(B，B1)进一步包括：击穿平衡系统(24，79)，所述击穿平衡系统(24，79)可以使所述多个场效应晶体管准同步地在击穿模式下工作。

2.根据权利要求1所述的DC电流中断系统，其特征在于，所述击穿平衡系统(24，79)包括电阻器(R1，R2)，所述电阻器(R1，R2)分别与场效应晶体管(M1，M2)串联安装。

3.根据权利要求1或2所述的DC电流中断系统，其特征在于，所述电子过压保护电路包括能够限制电压的第一方框(B1)以及能够限制电流的第二方框(B2)，所述第一方框(B1)包括至少一个第一类型的晶体管(M1，M2)，所述第二方框(B2)包括至少一个第二类型的晶体管(IG1，IG2)。

4.根据权利要求3所述的DC电流中断系统，其特征在于，所述第二方框(B2)包括：对于每个第二类型晶体管(IG1)而言，与该晶体管串联安装的电阻器(R9)。

5.根据权利要求3所述的DC电流中断系统，其特征在于，所述DC电流中断系统包括两个电子开路系统(72，76)，所述两个电子开路系统(72，76)为能够启动所述第一方框(B1)的具有快速自偏置的第一电子开路系统(72)和能够启动所述第二方框(B2)的具有缓慢自偏置的第二电子开路系统(76)，以使得在所述第一机械断路器(S0)断开的情况下，在通过所述第一方框(B1)来限制电压之后继以通过所述第二方框(B2)来限制电流。

6.根据权利要求5所述的DC电流中断系统，其特征在于，在所述第一机械断路器(S0)断开的情况下，按顺序执行以下阶段：

-通过所述具有快速自偏置的第一电子开路系统(72)来使所述第一方框(B1)生效，所述至少一个第一类型的晶体管(M1，M2)工作在电阻模式中；

-通过所述具有缓慢自偏置的第二电子开路系统(76)来使所述第二方框(B2)生效，所述至少一个第一类型的晶体管(M1，M2)处于非接通模式；

-当所述电压达到预定值(Vbr)时使所述第一方框(B1)生效，所述至少一个第一类型的晶体管(M1，M2)工作在击穿模式中。

7.根据权利要求3所述的DC电流中断系统，其特征在于，所述第一类型的晶体管(M1，M2)为MOSFET晶体管，并且所述第二类型的晶体管(IG1，IG2)为IGBT晶体管。

8.根据权利要求1所述的DC电流中断系统，其特征在于，所述电子开路系统(14，72，76)包括至少一个无源电路(22，74，78)，所述无源电路(22，74，78)包括与电容器(C2，C3，C4)串联安装的二极管(D1，D2)以及与所述电容器(C2，C3，C4)并联安装的电阻器(R4，R6，R10)。

9.根据权利要求1所述的DC电流中断系统，其特征在于，根据所述DC线路的电压、电流和电感限制来确定并联安装在所述电子过压保护电路(B，B1，B2)中的晶体管的数量。