CN107592101B - 一种基于阴极短路栅控晶闸管的直流固态断路器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子技术领域，具体的说是涉及一种基于阴极短路栅控晶闸管的直流固态断路器。本发明的主要包括由直流电源、CS‑MCT(M1)和负载构成的主回路和由直流电源、电容C、电感L、CS‑MCT(M2)、二极管(D1和D2)构成的换流回路、由电流采样电阻R和放大器构成的电流检测单元以及栅极控制单元。其特点是：采用具有低导通电阻和高di/dt能力的CS‑MCT作为开关管，结合电流检测和栅极控制单元实现短路电流采样和控制信号反馈并利用换流回路的分流作用实现短路电流的迅速中断。与传统固态断路器相比，本发明中基于CS‑MCT的固态直流断路器具有功耗低，响应速度快的优势。

Description

一种基于阴极短路栅控晶闸管的直流固态断路器

技术领域

本发明属于电子技术领域，具体的说是涉及一种基于阴极短路栅控晶闸管的直流固态断路器。

背景技术

随着经济和科技的协同发展，社会对各类能源的需求在不断增大。电能作为当今信息化时代的“血液”为经济和科技水平的进步提供动力。其中以光伏、风电为代表的可再生清洁能源因较小的环境代价而备受瞩目。为更充分和更灵活的利用上述清洁能源以满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率和供电可靠性，基于分布式发电系统(Distributed Generation System，DGS)的微电网应运而生。微电网的出现有效整合了分布式发电的优势，削弱了分布式发电对电网的冲击，充分发挥DGS的效益和价值。由于DGS产生的电能往往是直流电，研究人员提出直流配电系统以消除直流电在接入用户前需要进行直流-交流(DC-AC)转换和连接直流负载时所需的交流-直流(AC-DC)转换,进而有利于提高电能的利用率(周逢权,黄伟.直流配电网系统关键技术探讨[J].电力系统保护与控制,2014,42(22):62-67)。

由于缺少交流电中的电压过零点，导致直流配电系统在发生短路时，故障难以被快速有效消除。此外，由于直流短路电流上升快、峰值高，相应的断路保护装置必须在极短时间内对故障进行响应才能满足直流配电系统的保护需求(刘路辉等.快速直流断路器研究现状与展望[J].中国电机工程学报,2017,37(04):966-978.)。在交流配电系统中常采用机械式断路器(Mechanical Circuit Breaker,MCB)来中断故障电流，但MCB断开时产生的电弧会导致接触头出现烧蚀进而影响其工作寿命；同时MCB响应时间较长，难以满足直流应用条件下负载对断路器响应速度的要求。基于功率半导体器件的固态断路器(Solid StateCircuit Breaker,SSCB)由于具有极短的响应时间、更长的寿命和便于智能化监控等优势而受到广泛关注。

与MCB相比，SSCB的主要缺点是导通功耗较大。由于SSCB的导通功耗主要来自于功率开关器件的热损耗，因此需要针对SSCB的应用条件合理设计和选择开关器件，以提升系统能量效率。由于双极型功率器件内部存在电导调制效应，使其具有相对于常规单极型器件更小的导通功耗，但不同类型的双极型器件的电导调制程度不同。IGBT的电导调制程度受到漂移区-P基区反偏PN结的限制，导致器件的导通功耗较大。晶闸管内部由于存在NPN管和PNP管的正反馈作用，使其电导调制程度更高，导通功耗更小。但是由于在开启过程中存在电流集中效应，造成晶闸管的di/dt能力较差。在基于谐振换流技术的SSCB中使用晶闸管会导致流经负载上短路电流的换流时间更长，进而导致断路器的响应时间会更长。此外，与压控型器件相比，流控型器件的驱动和保护更为复杂。栅控晶闸管(MOS-ControlledThyristor,MCT)具有类似晶闸管的低阻特性，同时具有较高的di/dt能力和压控特性，但器件在开关过程中需要异号的栅极控制信号，导致驱动电路更为复杂(Temple V A K.MOScontrolled thyristors(MCT's)[C].Electron Devices Meeting,1984International.IEEE,1984:282-285.)。基于SiC、GaN等宽禁带半导体材料的器件具有较低的导通功耗，但其应用受到器件可靠性和成本的限制(Shenai K,Dudley M,Davis RF.Current status and emerging trends in wide bandgap(WBG)semiconductor powerswitching devices[J].ECS Journal of Solid State Science and Technology,2013,2(8):N3055-N3063.)。

发明内容

本发明的目的是，针对上述问题，提供一种基于阴极短路栅控晶闸管的直流固态断路器。由于器件内部存在阴极短路的晶闸管结构，使得阴极短路栅控晶闸管(CS-MCT)在具有较小导通电阻和较大di/dt能力的同时还能在栅极零偏时实现器件的阻断(Chen W,etal.Experimentally demonstrate a cathode short MOS-controlled thyristor(CS-MCT)for single or repetitive pulse applications[C].ISPSD,2016 28thInternational Symposium on.IEEE,2016:311-314.)。利用CS-MCT并配合适当的电流监测和栅极反馈控制单元可以获得具有良好性能的SSCB。本发明就是利用驱动简单、导通电阻低、可靠性高的硅基功率器件来改善固态断路器中存在的功耗较大的问题，同时借助电流监测和栅极控制单元来帮助实现短路电流的迅速中断。

本发明的技术方案是：

本发明提供一种基于硅基阴极短路栅控晶闸管的直流固态断路器，包括主回路、换流回路、电流检测单元以及栅极控制单元，所述主回路包括直流电源、第一CS-MCT(M1)和负载，所述换流回路包括直流电源、电容C、电感L、第二CS-MCT(M₂)、第一二极管(D₁)和第二二极管(D₂)，所述电路检测单元包括电流采样电阻R和放大器，直流电源的正极连接采样电阻R，负极接地，其特征在于：所述第一CS-MCT(M₁)的阳极连接采样电阻R和电容C的负端，所述电感L的两端分别连接电容C的正端和第二二极管(D₂)的阳极，所述第二CS-MCT(M₂)的阳极和阴极分别连接第二二极管(D₂)的阴极和地，所述第一二极管(D₁)与第二CS-MCT(M₂)反向并联，所述负载的一端连接第一CS-MCT(M₁)的阴极，另一端接地，所述电流采样电阻R的两端连接放大器的输入端，所述栅极控制单元的输入端和输出端分别连接放大器的输出端和第一CS-MCT(M₁)与第二CS-MCT(M₂)的栅极。

进一步的，栅极控制单元可根据电流检测单元输出的电压信号和内部预设的断路器触发保护电流的相对大小对第一CS-MCT(M₁)的栅极和第二CS-MCT(M₂)的栅极进行控制且栅极控制单元内部的预设触发保护电流可以根据断路器的具体应用场合进行重置。

进一步的，所述CS-MCT器件的元胞宽度在40μm到60μm，内部的晶闸管结构可在正向导通电流远小于额定电流时实现触发，触发后CS-MCT具有较小的导通压降，进而使基于CS-MCT的直流固态断路器具有较小的导通功耗，而CS-MCT因开启后器件导通电阻较小且内部电流分布较为均匀而具有较大的di/dt能力，进而使基于CS-MCT并采用谐振换流技术的直流固态断路器具有较小的响应时间，CS-MCT为硅基压控器件，可在栅极零偏时具有稳定的耐压能力，进而使基于CS-MCT的直流固态断路器的驱动控制较为简单。

本发明的有益效果为,与基于常规单极型功率器件或者IGBT的固态断路器相比，本发明具有更低的功耗；与基于晶闸管的固态断路器相比，本发明的驱动控制更加简单且响应速度更快；与基于宽禁带半导体器件的固态断路器相比，本发明的具有更高的可靠性、更低的成本以及相当的导通损耗。

附图说明

图1是本发明中一种基于阴极短路栅控晶闸管的固态断路器(SSCB)电路原理图；

图2是本发明中SSCB的工作波形示意图；

图3是本发明中采用的阴极短路栅控晶闸管(CS-MCT)的结构示意图和等效电路图；

图4是具有相似芯片面积的CS-MCT和IGBT的正向导通特性测试结果；

图5为本发明中SSCB瞬态特性测试结果；

图6为本发明中SSCB瞬态特性测试结果的局部波形。

具体实施方式

下面结合具体附图，对本发明作进一步地详细描述：

如图1所示，为本发明中的SSCB的电路原理图，包括主回路、换流回路、电流检测单元以及栅极控制单元，所述主回路包括直流电源、第一CS-MCT(M₁)和负载。该电路的基本工作原理为：

如图2所示，当系统处于正常工作状态时，M₁处于导通状态，M₂处于阻断状态，电流只流经主回路，电容C预充一定能量，其电压极性如图1所示。当短路发生时，主回路上的电流(I_A1)迅速上升，其上升率取决于直流电源电压和供电系统的寄生电感的相对大小。此时，电流采样电阻R上的压降会迅速增大，经放大器放大后输入栅极控单元，若短路电流超过栅极控制单元的预设触发保护电流(I_T)，则M₁的栅压(V_G1)会下降，M₂的栅压(V_G2)上升并使其开启，进而导致换流回路上的电流(I_A2)迅速增大，由于换流回路中的L较小，导致该回路上的电流上升率远大于直流电源上短路电流的上升率，进而促使流过负载的电流可以在Δt的时间内迅速减小到零并产生电压过零点，迫使M₁进入阻断状态，从而有效保护了负载。此后，换流回路中的谐振过程会继续进行，器件M₁处于浮空状态，其阳极电压(V_A1)随电容C上压降的变化而变化。由于CS-MCT没有可靠的反向耐压能力，因此给器件M₂配置续流二极管D₁。由于在换流回路中引入了串联二极管D₂，使该回路中的谐振电流过零后将不再继续振荡。

在系统处于正常工作过程中，固态断路器会产生较大功耗且大部分功耗是由固态开关器件本身的发热造成的。因此需要对器件进行优化设计以减小其功耗，提升断路器的效率。图3为本发明中采用的CS-MCT的结构示意图和等效电路。由于P阱区接地，使CS-MCT可以在栅极零偏时承受耐压，进而有利于简化栅极控制电路。同时由于CS-MCT内部存在晶闸管结构且该结构容易通过空穴电流流经P阱区电阻R_P上产生的电压降进行触发，因此CS-MCT在导通时具有低阻特性。此外CS-MCT的电学特性显著受到器件元胞宽度的影响，当元胞宽度太小时，器件导通电阻较大，而当元胞宽度较大时，器件开启后会存在较为显著的电流集中效应，进而影响其di/dt能力。图4为元胞宽度为50μm的CS-MCT与具有类似芯片面积的商用600V 20A IGBT(HGTG20N60B3D)正向导通特性曲线的测试结果。其中CS-MCT内部晶闸管结构可在0.7A下实现触发，在20A导通电流下，CS-MCT的导通压降减小了0.55V，静态功耗降低了30％。此外，由于CS-MCT具有较大的di/dt能力，有利于加快负载上短路电流的切换速度，进而可减小负载短路电流的关断时间Δt。图5给出了本发明中的直流固态断路器在直流电压为400V时的瞬态特性测试结果，该测试中利用导线替换负载阻抗来模拟短路情况，器件M₁栅极电压上升后短路过程开始。图6为图5中测试结果的局部波形，流经负载的190A短路电流可以在600ns的时间内被成功中断。

Claims (2)

1.一种基于阴极短路栅控晶闸管的直流固态断路器，其特征在于，该断路器包含主回路、换流回路、电流检测单元以及栅极控制单元；其中主回路包括直流电源、第一阴极短路栅控晶闸管和负载，换流回路包括直流电源、电容C、电感L、第二阴极短路栅控晶闸管、第一二极管和第二二极管，电路检测单元包括电流采样电阻R和放大器；

所述直流电源的正极连接采样电阻R，负极接地，第一阴极短路栅控晶闸管的阳极连接采样电阻R和电容C的负端，电感L的两端分别连接电容C的正端和第二二极管的阳极，第二阴极短路栅控晶闸管的阳极和阴极分别连接第二二极管的阴极和地，第一二极管与第二阴极短路栅控晶闸管反向并联，负载的一端连接第一阴极短路栅控晶闸管的阴极，负载的另一端接地，电流采样电阻R的两端连接放大器的输入端，栅极控制单元的输入端接放大器的输出端，栅极控制单元的输出端接第一阴极短路栅控晶闸管和第二阴极短路栅控晶闸管的栅极；

所述栅极控制单元可根据电流检测单元输出的电压信号和内部预设的断路器触发保护电流的相对大小对第一阴极短路栅控晶闸管的栅极和第二阴极短路栅控晶闸管的栅极进行控制，且栅极控制单元内部的预设触发保护电流可以根据断路器的具体应用场合进行重置。

2.根据权利要求1所述的一种基于阴极短路栅控晶闸管的直流固态断路器，其特征在于，所述阴极短路栅控晶闸管的元胞宽度在40μm到60μm，其中栅极宽度为7μm，阴极短路接触孔宽度为3μm，P阱区注入剂量在1×10¹³cm^-2到3×10¹³cm^-2。