CN105552828A - 一种自供电双向直流固态断路器 - Google Patents

一种自供电双向直流固态断路器 Download PDF

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董耀文
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Abstract

本发明公开了一种自供电双向直流固态断路器，属于电气设备及电气工程技术领域。它包括双向常通型SiC功率开关管、正向电流检测电路、反向电流检测电路、负压关断电路和吸收电路。其特点是：采用双向常通型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，不仅提高了固态断路器的响应速度，而且降低了固态断路器的损耗。

Description

一种自供电双向直流固态断路器
技术领域
本发明涉及一种自供电双向直流固态断路器，属于电气设备及电气工程技术领域。
背景技术
随着可再生能源的发展，直流输配电系统因可以有效的改善配电网的效率和可靠性，越来越广泛的应用于工业、商业、生活住宅以及军事领域。断路器（CircuitBreaker）是输配电线路中的一个关键器件，其主要功能包括：可靠地接通和断开负载；在系统发生故障时迅速断开有故障部分的负载以确保无故障部分正常运行。断路器是保障系统安全、可靠运行的关键设备，其性能直接影响着直流配电网的正常运行。传统的机械式塑壳断路器（moldedcasecircuitbreaker，MCCB）存在合闸时电阻较大，在电路中造成较大的电压降，且故障关断时响应速度慢、存在电弧等问题，需要额外的电弧抑制装置。由于关断电弧的存在，使用寿命也会大大降低。
采用Si器件制造的直流固态断路器（solid-statecircuitbreaker，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线路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。
采用Si器件制作的SSCB（简称：Si基SSCB）需要多个功能电路实现快速保护功能，电路较为复杂，且难以实现双向导通的功能。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。
近年来宽禁带半导体SiC器件得到了快速的发展。与同类型Si器件相比，SiC器件通态电阻和导通压降明显降低，结温耐受能力高（>350℃），且可制成特性优异的常通型器件，如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电源，从而使SSCB结构大为简化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种自供电双向直流固态断路器，采用新型常通型SiC器件作为固态开关，负载电流正常时，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，使其迅速关断，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：
本发明提供一种自供电双向直流固态断路器，该断路器包括输入端、双向常通型SiC功率开关管、正向电流检测电路、反向电流检测电路、负压关断电路，正向电流检测电路、反向电流检测电路中分别包括一个电流采样电阻，其中：
所述双向常通型SiC功率开关管的一端接断路器的输入端，另一端接负载；
所述正向电流检测电路的输入端接断路器的输入端，输出端接负载；
所述反向电流检测电路的输入端接负载，输出端接断路器的输入端；
所述负压关断电路的输入端分别接正向电流检测电路和反向电流检测电路中电流采样电阻的两端，输出端接双向常通型SiC功率开关管。
作为本发明的进一步优化方案，所述双向常通型SiC功率开关管包括第一、第二常通型SiC功率开关管，所述正向电流检测电路包括第一、第二电流采样电阻和第一反向阻断二极管，所述反向电流检测电路包括第三、第四电流采样电阻和第二反向阻断二极管，所述负压关断电路包括第一、第二隔离式DC/DC变换器和第一、第二阻断二极管，其中：
第一常通型SiC功率开关管的源极接负载，栅极接第一隔离式DC/DC变换器输出端的负极，漏极接第二常通型SiC功率开关管的漏极；第二常通型SiC功率开关管的源极接断路器的输入端，栅极结第二隔离式DC/DC变换器输出端点的负极；
第一电流采样电阻的一端接第二常通型SiC功率开关管的源极，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第一反向阻断二极管的正极，第一反向阻断二极管的负极接第一常通型SiC功率开关管的源极；
第三电流采样电阻的一端接第一常通型SiC功率开关管的源极，另一端接第四电流采样电阻的一端，第四电流采样电阻的另一端接第二反向阻断二极管的正极，第二反向阻断二极管的负极接第二常通型SiC功率开关管的源极；
第一隔离式DC/DC变换器的输入端接在第二电流采样电阻的两端，输出端的正极接第一阻断二极管的正极，输出端的负极接第一常通型SiC功率开关管的栅极，第一阻断二极管的负极接第一常通型SiC功率开关管的源极；第二隔离式DC/DC变换器的输入端接在第四电流采样电阻的两端，输出端的正极接第二阻断二极管的正极，输出端的负极接第二常通型SiC功率开关管的栅极，第二阻断二极管的负极接第二常通型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第一常通型SiC功率开关管的源极，另一端接第二常通型SiC功率开关管的源极；所述吸收电容的一端接第一常通型SiC功率开关管的源极，另一端接第二常通型SiC功率开关管的源极。
作为本发明的进一步优化方案，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第一常通型SiC功率开关管的源极，另一端接第二常通型SiC功率开关管的源极；所述吸收电容的一端接第一常通型SiC功率开关管的源极，另一端接第二常通型SiC功率开关管的源极；所述瞬态电压抑制器的一端接第一常通型SiC功率开关管的源极，另一端接第二常通型SiC功率开关管的源极。
作为本发明的进一步优化方案，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第一常通型SiC功率开关管的源极，另一端接第二常通型SiC功率开关管的源极；所述瞬态电压抑制器的一端接第一常通型SiC功率开关管的源极，另一端接第二常通型SiC功率开关管的源极。
作为本发明的进一步优化方案，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）采用宽禁带半导体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）采用双向常通型SiC器件可以实现固态断路器双向保护的功能；
（3）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；
（4）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。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是现有SSCB框图。
图2是本发明的电路示意图。
其中，Q1、Q2分别是第一、第二常通型SiC功率开关管；VD1、VD2分别是第一、第二反向阻断二极管；R1、R2、R3、R4分别是第一、第二、第三、第四电流采样电阻；VD3、VD4分别是第一、第二阻断二极管。
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
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图和具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明提供一种自供电双向直流固态断路器，如图2所示，包括双向常通型SiC功率开关管、正向电流检测电路、反向电流检测电路、负压关断电路，正向电流检测电路、反向电流检测电路中分别包括一个电流采样电阻。采用双向常通型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，不仅提高了固态断路器的响应速度，而且降低了固态断路器的损耗。
其中，双向常通型SiC功率开关管由第一、第二常通型SiC功率开关管Q1、Q2构成：Q1和Q2的漏极相连，Q1的源极S1接负载，Q2的源极S2接断路器的输入端。
其中，正向电流检测电路由第一、第二电流采样电阻R1、R2和第一反向阻断二极管VD1构成：R1的一端接Q2的源极S2，另一端接R2的一端，R2的另一端接VD1的正极，VD1的负极接Q1的源极S1。
其中，反向电流检测电路由第三、第四电流采样电阻R3、R4和第二反向阻断二极管VD2构成：R3的一端接Q1的源极S1，另一端接R4的一端，R4的另一端接VD2的正极，VD2的负极接Q2的源极S2。
其中，负压关断电路由第一、第二隔离式DC/DC变换器和第一、第二阻断二极管VD3、VD4构成：第一隔离式DC/DC变换器的输入端接在R2的两端，第一隔离式DC/DC变换器输出端的正极接VD3的正极，第一隔离式DC/DC变换器输出端的负极接Q1的栅极G1，VD3的负极接Q1的源极S1；第二隔离式DC/DC变换器的输入端接在R4的两端，第二隔离式DC/DC变换器输出端的正极接VD4的正极，第二隔离式DC/DC变换器输出端的负极接Q2的栅极G2，VD4的负极接在Q2的源极S2。
本发明一种自供电双向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Q1的源极S1，另一端接Q2的源极S2；吸收电容的一端接Q1的源极S1，另一端接Q2的源极S2；瞬态电压抑制器的一端接Q1的源极S1，另一端接Q2的源极S2。
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。
本发明一种自供电双向直流固态断路器应用于直流输配电系统时，负载电流既可以从断路器的输入端流向负载，又可以从负载流向断路器的输入端。图2所示的自供电双向直流固态断路器工作原理如下：
1）负载电流从输入端流向负载：负载电流正常时，常通型SiC功率开关管上的电压很小，因此R2上的电压也很小，第一隔离式DC/DC变换器不工作；一旦负载严重过流或短路，则常通型SiC功率开关管上的电压迅速增大，R2上的电压迅速增大，第一隔离式DC/DC变换器快速启动工作，在第一常通型SiC功率开关管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；
2）负载电流从负载流向输入端：负载电流正常时，常通型SiC功率开关管上的电压很小，因此R4上的电压也很小，第二隔离式DC/DC变换器不工作；一旦负载严重过流或短路，则常通型SiC功率开关管上的电压迅速增大，R2上的电压迅速增大，第二隔离式DC/DC变换器快速启动工作，在第二常通型SiC功率开关管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；
3）只有当电流恢复正常时，自供电双向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，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)

1.一种自供电双向直流固态断路器，其特征在于，该断路器包括输入端、双向常通型SiC功率开关管、正向电流检测电路、反向电流检测电路、负压关断电路，正向电流检测电路、反向电流检测电路中分别包括一个电流采样电阻，其中：
所述双向常通型SiC功率开关管的一端接断路器的输入端，另一端接负载；
所述正向电流检测电路的输入端接断路器的输入端，输出端接负载；
所述反向电流检测电路的输入端接负载，输出端接断路器的输入端；
所述负压关断电路的输入端分别接正向电流检测电路和反向电流检测电路中电流采样电阻的两端，输出端接双向常通型SiC功率开关管。
2.根据权利要求1所述的一种自供电双向直流固态断路器，其特征在于，所述双向常通型SiC功率开关管包括第一、第二常通型SiC功率开关管，所述正向电流检测电路包括第一、第二电流采样电阻和第一反向阻断二极管，所述反向电流检测电路包括第三、第四电流采样电阻和第二反向阻断二极管，所述负压关断电路包括第一、第二隔离式DC/DC变换器和第一、第二阻断二极管，其中：
第一常通型SiC功率开关管的源极接负载，栅极接第一隔离式DC/DC变换器输出端的负极，漏极接第二常通型SiC功率开关管的漏极；第二常通型SiC功率开关管的源极接断路器的输入端，栅极结第二隔离式DC/DC变换器输出端点的负极；
第一电流采样电阻的一端接第二常通型SiC功率开关管的源极，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第一反向阻断二极管的正极，第一反向阻断二极管的负极接第一常通型SiC功率开关管的源极；
第三电流采样电阻的一端接第一常通型SiC功率开关管的源极，另一端接第四电流采样电阻的一端，第四电流采样电阻的另一端接第二反向阻断二极管的正极，第二反向阻断二极管的负极接第二常通型SiC功率开关管的源极；
第一隔离式DC/DC变换器的输入端接在第二电流采样电阻的两端，输出端的正极接第一阻断二极管的正极，输出端的负极接第一常通型SiC功率开关管的栅极，第一阻断二极管的负极接第一常通型SiC功率开关管的源极；第二隔离式DC/DC变换器的输入端接在第四电流采样电阻的两端，输出端的正极接第二阻断二极管的正极，输出端的负极接第二常通型SiC功率开关管的栅极，第二阻断二极管的负极接第二常通型SiC功率开关管的源极。
3.根据权利要求1所述的一种自供电双向直流固态断路器，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所述的一种自供电双向直流固态断路器，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第一常通型SiC功率开关管的源极，另一端接第二常通型SiC功率开关管的源极；所述吸收电容的一端接第一常通型SiC功率开关管的源极，另一端接第二常通型SiC功率开关管的源极。
5.根据权利要求3所述的一种自供电双向直流固态断路器，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第一常通型SiC功率开关管的源极，另一端接第二常通型SiC功率开关管的源极；所述吸收电容的一端接第一常通型SiC功率开关管的源极，另一端接第二常通型SiC功率开关管的源极；所述瞬态电压抑制器的一端接第一常通型SiC功率开关管的源极，另一端接第二常通型SiC功率开关管的源极。
6.根据权利要求3所述的一种自供电双向直流固态断路器，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第一常通型SiC功率开关管的源极，另一端接第二常通型SiC功率开关管的源极；所述瞬态电压抑制器的一端接第一常通型SiC功率开关管的源极，另一端接第二常通型SiC功率开关管的源极。
7.根据权利要求5或6所述的一种自供电双向直流固态断路器，其特征在于，所述瞬态电压抑制器为TVS管。
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