CN105514929A - 一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器 - Google Patents

一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器，属于电气设备及电气工程技术领域。它包括常通型SiC功率开关管、负压关断电路和吸收电路。其特点是：采用常通型SiC功率开关管，通过检测功率开关管漏源电压实现过流保护；利用故障状态下的漏源电压作为负压关断电路的输入电源，实现了断路器的自供电。这种固态断路器与传统的固态断路器相比，不需要复杂的电流检测装置、信号调理电路以及辅助源电路等功能电路，降低了固态断路器的损耗，提高了固态断路器的响应速度。

Description

一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器
技术领域
本发明涉及一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器，属于电气设备及电气工程技术领域。
背景技术
随着国民经济的发展，当今社会对电力系统及输电技术提出了更高的要求,如何进一步提高电网的稳定性、向用户提供高质量电能成为电力行业的发展方向。断路器作为输电线路中一个重要的环节，它的性能直接影响着电网的正常运行。在目前的输电系统中大量采用机械式断路器，尽管它有导通稳定、带负载能力强等优点，但随着用户对电力质量要求的提高，它的缺点也越来越突出。因不能实时、灵活、连续和快速地动作，易使事故扩大，破坏系统稳定性；在断开负载时往往有电弧产生，触头易烧损，开断时间长，难以满足一些电力用户对故障电流开断的速动性要求，在运行过程中有噪声，机械、电气寿命受到限制。近年来，随着电力电子器件的快速发展，采用电力电子器件作为主开关的固态断路器（Solide-stateCircuitBreaker，SSCB）因其动作的快速性而受到广泛关注。
采用Si器件制造的直流固态断路器（简称：Si基SSCB）能够克服传统机械直流断路器的缺点。通过电流检测装置检测负载电流信号，控制电路根据检测到的电流信号，经信号调理后与设定电流值进行比较，确定固态开关的动作，如图1所示。为了在固态开关关断时吸收电感及感性负载中的储能，SSCB需要设置缓冲电路或/和箝位电路。因此，SSCB包含主开关、缓冲电路和/或箝位电路、电流检测装置、信号调理电路、控制电路、驱动电路以及辅助源电路等功能电路。
Si基SSCB需要多个功能电路实现快速断路功能，实现较为复杂。另外，在大电流应用场合中，Si器件导通损耗较高，断路故障时，故障电流瞬时增加可能会导致器件温升超过Si器件的结温限制，使Si基SSCB不能可靠工作，不能保证系统安全工作。
近年来宽禁带SiC器件得到了快速的发展。与同类型Si器件相比，SiC器件导通电阻明显降低，结温耐受能力高，且可制成特性优异的常通型器件，如常通型SiCJFET、SiCSIT等，其常通状态下无需驱动电路，关断时才要负压驱动电路。结合常通型器件的特性，利用其导通压降与电流的关系（正常电流时压降小，过流或短路时压降明显增大），可以简化电流检测电路，省去电流传感器及其他辅助供电电源，从而使SSCB大为简化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器，负载电流正常时，SiC器件保持常通态，负载过流或短路时，通过快速工作的电源为栅极提供负压，使SiC器件迅速关断，实现保护。省去了额外的电流检测装置、信号调理电路、控制电路和辅助源电路，简化了电路结构，降低了保护电路功率损耗，提高了断路器的响应速度。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
本发明提供一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器，该断路器包括输入端、常通型SiC功率开关管、电流检测电路、负压关断电路，电流检测电路包括一个电流采样电阻，其中：
所述常通型SiC功率开关管的一端接断路器的输入端，另一端接负载；
所述电流检测电路的输入端接断路器的输入端，输出端接负载；
所述负压关断电路的输入端接在电流检测电路中的电流采样电阻的两端，输出端接常通型SiC功率开关管。
作为本发明的进一步优化方案，所述电流检测电路包括第一、第二电流采样电阻和反向阻断二极管，所述负压关断电路包括隔离式DC/DC变换器和阻断二极管，其中：
常通型SiC功率开关管的源极接负载，栅极接隔离式DC/DC变换器输出端的负极，漏极接正极；
第一电流采样电阻的一端接常通型SiC功率开关管的漏极，另一端接第二电流采样电阻的一端，第二电流采样电阻的另一端接反向阻断二极管的正极，反向阻断二极管的负极接常通型SiC功率开关管的源极；
隔离式DC/DC变换器的输入端接在第二电流采样电阻的两端，输出端的正极接阻断二极管的正极，输出端的负极接常通型SiC功率开关管的栅极，阻断二极管的负极接常通型SiC功率开关管的源极。
作为本发明的进一步优化方案，还包括吸收电路，吸收电路的一端接断路器的输入端，另一端接负载。
作为本发明的进一步优化方案，所述吸收电路包括压敏电阻、吸收电容，其中：
所述压敏电阻的一端接常通型SiC功率开关管的源极，另一端接常通型SiC功率开关管的漏极；所述吸收电容的一端接常通型SiC功率开关管的源极，另一端接常通型SiC功率开关管的漏极。
作为本发明的进一步优化方案，所述吸收电路包括压敏电阻、吸收电容、瞬态电压抑制器，其中：
所述压敏电阻的一端接常通型SiC功率开关管的源极，另一端接常通型SiC功率开关管的漏极；所述吸收电容的一端接常通型SiC功率开关管的源极，另一端接常通型SiC功率开关管的漏极；所述瞬态电压抑制器的一端接常通型SiC功率开关管的源极，另一端接常通型SiC功率开关管的漏极。
作为本发明的进一步优化方案，所述吸收电路包括压敏电阻、瞬态电压抑制器，其中：
所述压敏电阻的一端接常通型SiC功率开关管的源极，另一端接常通型SiC功率开关管的漏极；所述瞬态电压抑制器的一端接常通型SiC功率开关管的源极，另一端接常通型SiC功率开关管的漏极。
作为本发明的进一步优化方案，所述瞬态电压抑制器为TVS管。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
（1）采用常通型SiC器件，降低了固态断路器正常导通时的损耗，同时增强了固态断路器故障关断时器件结温的承受能力，提高了固态断路器工作的可靠性；
（2）通过检测功率开关管漏源电压实现过流保护，省去了额外的电流检测装置；
（3）利用故障状态下的漏源电压作为负压关断电路的输入电源，实现了断路器的自供电，简化了控制电路、辅助电源和驱动电路的结构。
附图说明
图1是现有固态断路器典型框图。
图2是本发明一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器的电路示意图。
其中，Q是常通型SiC功率开关管；R1、R2是第一、第二电流采样电阻；D1是阻断二极管；D2是反向阻断二极管。
图3是隔离式DC/DC变换器的原理框图。
图4是隔离式DC/DC变换器拓扑示例。
图5是隔离式DC/DC变换器工作时副边整流滤波电路电感的电流波形，其中，（a）是电感量较大时电流波形图，（b）是电感量较小时电流波形图。
具体实施方式
为便于对本发明的理解，下面将结合附图和具体实施例为例做进一步的解释说明，且实施例并不构成对本发明的限定。
本发明提供了一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器，如图1所示，包括常通型SiC功率开关管、电流检测电路、负压关断电路。采用常通型SiC功率开关管，通过检测功率开关管漏源电压实现过流保护；利用故障状态下的漏源电压作为负压关断电路的输入电源，实现了断路器的自供电。这种固态断路器与传统的固态断路器相比，不需要复杂的电流检测装置、信号调理电路以及辅助源电路等功能电路，降低了固态断路器的损耗，提高了固态断路器的响应速度。
其中：常通型SiC功率开关管Q的漏极D和断路器的输入端（即电网）连接，源极S和负载连接；电流检测电路由第一、第二电流采样电阻R1、R2和反向阻断二极管D2构成，R1的一端接Q的漏极D，另一端接R2的一端，R2的另一端接D2的正极，D2的负极接Q的源极S；负压关断电路由隔离式DC/DC变换器和阻断二极管D1构成，隔离式DC/DC变换器的输入端接在R2的两端，隔离式DC/DC变换器输出端的正极接D1的正极，隔离式DC/DC变换器输出端的负极接Q的栅极G，D1的负极接Q的源极S。本发明中，隔离式DC/DC变换器应尽量减小滤波电感的电感量，以加快变换器的响应速度。
本发明一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器还包括一个可选的吸收电路，用来吸收电流突然变化时电路的寄生电感上产生的尖峰电压。该吸收电路根据需要可选择由压敏电阻、吸收电容和/或瞬态电压抑制器构成：压敏电阻的一端接Q的源极S，另一端接Q的漏极D；吸收电容的一端接Q的源极S，另一端接Q的漏极D；瞬态电压抑制器的一端接Q的源极S，另一端接Q的漏极D。
图3是隔离式DC/DC变换器的原理框图，由原边开关电路、隔离变压器和副边整流滤波电路构成的快速响应隔离式DC/DC变换器：原边开关电路接隔离变压器的输入端，隔离变压器的输出端接整流滤波电路。
本发明一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器应用于直流输配电系统时，负载电流从断路器的输入端流向负载，图2所示的自供电双向直流固态断路器工作原理如下：
负载电流正常时，常通型SiC功率开关管Q上的电压很小，因此R2上的电压也很小，隔离式DC/DC变换器不工作；一旦负载严重过流或短路，则常通型SiC功率开关管Q上的电压迅速增大，R2上的电压迅速增大，隔离式DC/DC变换器快速启动工作，在常通型SiC功率开关管Q的栅极源极之间施加足够的负压，使其迅速关断，切断电流，实施保护。只有当电流恢复正常时，自供电直流固态断路器才能恢复正常导通。
图4给出了快速响应的隔离式DC/DC变换器的拓扑示例。图5给出了如图4所示的变换器工作时副边整流滤波电路电感的电流波形。图5中（a），滤波电感电感量较大，电流平稳，但隔离式DC/DC变换器响应速度变慢；图5中（b），滤波电感电感量较小，电流波动较大，但隔离式DC/DC变换器响应速度加快，有利于电路故障时固态断路器快速关断，对电路实施保护。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器，其特征在于，该断路器包括输入端、常通型SiC功率开关管、电流检测电路、负压关断电路，电流检测电路包括一个电流采样电阻，其中：
所述常通型SiC功率开关管的一端接断路器的输入端，另一端接负载；
所述电流检测电路的输入端接断路器的输入端，输出端接负载；
所述负压关断电路的输入端接在电流检测电路中的电流采样电阻的两端，输出端接常通型SiC功率开关管。
2.根据权利要求1所述的一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器，其特征在于，所述电流检测电路包括第一、第二电流采样电阻和反向阻断二极管，所述负压关断电路包括隔离式DC/DC变换器和阻断二极管，其中：
常通型SiC功率开关管的源极接负载，栅极接隔离式DC/DC变换器输出端的负极，漏极接断路器的输入端；
第一电流采样电阻的一端接常通型SiC功率开关管的漏极，另一端接第二电流采样电阻的一端，第二电流采样电阻的另一端接反向阻断二极管的正极，反向阻断二极管的负极接常通型SiC功率开关管的源极；
隔离式DC/DC变换器的输入端接在第二电流采样电阻的两端，输出端的正极接阻断二极管的正极，输出端的负极接常通型SiC功率开关管的栅极，阻断二极管的负极接常通型SiC功率开关管的源极。
3.根据权利要求1所述的一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器，其特征在于，还包括吸收电路，吸收电路的一端接断路器的输入端，另一端接负载。
4.根据权利要求3所述的一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器，其特征在于，所述吸收电路包括压敏电阻、吸收电容，其中：
所述压敏电阻的一端接常通型SiC功率开关管的源极，另一端接常通型SiC功率开关管的漏极；所述吸收电容的一端接常通型SiC功率开关管的源极，另一端接常通型SiC功率开关管的漏极。
5.根据权利要求3所述的一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器，其特征在于，所述吸收电路包括压敏电阻、吸收电容、瞬态电压抑制器，其中：
所述压敏电阻的一端接常通型SiC功率开关管的源极，另一端接常通型SiC功率开关管的漏极；所述吸收电容的一端接常通型SiC功率开关管的源极，另一端接常通型SiC功率开关管的漏极；所述瞬态电压抑制器的一端接常通型SiC功率开关管的源极，另一端接常通型SiC功率开关管的漏极。
6.根据权利要求3所述的一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器，其特征在于，所述吸收电路包括压敏电阻、瞬态电压抑制器，其中：
所述压敏电阻的一端接常通型SiC功率开关管的源极，另一端接常通型SiC功率开关管的漏极；所述瞬态电压抑制器的一端接常通型SiC功率开关管的源极，另一端接常通型SiC功率开关管的漏极。
7.根据权利要求5或6所述的一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器，其特征在于，所述瞬态电压抑制器为TVS管。
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