CN109066609A - 一种基于级联SiC MOSFET的全固态直流断路器拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于级联SiC MOSFET的全固态直流断路器拓扑结构，包括控制单元及执行单元，其中，控制单元包括控制器及驱动器，执行单元包括第一控制端子、第二控制端子、第一功率端子、第二功率端子、二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一SiC MOSFET管、第二SiC MOSFET管、第一压敏电阻、第二压敏电阻、动态均压电容、驱动电容、第一静态均压电阻及第二静态均压电阻，该拓扑结构的可靠性高、成本低，并且能够实现级联SiC MOSFET的电压均衡。

Description

一种基于级联SiC MOSFET的全固态直流断路器拓扑结构

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种基于级联SiC MOSFET的全固态直流断路器拓扑结构。

背景技术

断路器作为交直流输配电系统中过流和短路保护装置，为供电系统正常可靠的工作提供了保障。与交流系统相比，直流系统没有电流过零点，这给直流断路器的设计带来很大的困难。目前，直流断路器分为机械式直流断路器、全固态直流断路器以及机械-固态混合式直流断路器。机械式直流断路器与传统交流断路器相比，增加了震荡电路制造电流过零点。固态直流断路器及机械-固态混合式直流断路器采用半导体器件作为开关元件，切断短路电流，具有开关速断快，功率密度高等特点。

近年来，第三代宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)相较于传统半导体材料硅(Si)，各项指标均有很大优势。这些优势使得SiC半导体器件的开关速度快，损耗低的特点。目前，1.2kV、1.7kV的JFET、MOSFET已经商业化，10kV SiC MOSFET,15kV SiC IGBT也已经研制成功，为将来的高压直流断路器应用提供了基础。虽然10kV SiC器件已经研发成功，但短时间内扔无法商用。因此需要发明基于级联SiC MOSFET的固态直流断路器及其控制方法。

在全固态直流断路器中。较低耐压的半导体器件的驱动信号不一致，器件参数不一致导致的级联器件之间的分压不均衡是很大的问题。因此有必要提出一种可靠性高，成本低的驱动均压电路拓扑且可以保证级联器件的电压均衡。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于级联SiC MOSFET的全固态直流断路器拓扑结构，该拓扑结构的可靠性高、成本低，并且能够实现级联SiCMOSFET的电压均衡。

为达到上述目的，本发明所述的基于级联SiC MOSFET的全固态直流断路器拓扑结构包括控制单元及执行单元，其中，控制单元包括控制器及驱动器，执行单元包括第一控制端子、第二控制端子、第一功率端子、第二功率端子、二极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一SiC MOSFET管、第二SiC MOSFET管、第一压敏电阻、第二压敏电阻、动态均压电容、驱动电容、第一静态均压电阻及第二静态均压电阻；

控制器的输出端与驱动器的输入端相连接，驱动器的输出端与第一控制端子及第二控制端子相连接，第一控制端子与二极管的正极及第一电阻的一端相连接，第一电阻的另一端与第一SiC MOSFET管的栅极相连接，二极管的负极与第二压敏电阻的一端、驱动电容的一端及第二电阻的一端相连接，第二电阻的另一端与第一静态均压电阻的一端及第三电阻的一端相连接，第三电阻的另一端与第二SiC MOSFET管的栅极相连接，第一功率端子与第二控制端子、驱动电容的另一端、第二压敏电阻的另一端、第一静态均压电阻的另一端及第一SiC MOSFET管的源极相连接，第二SiC MOSFET管的源极与第一SiC MOSFET管的漏极、第二静态均压电阻的一端、动态均压电容的一端及第一压敏电阻的一端相连接，第二功率端子与第一压敏电阻的另一端、动态均压电容的另一端、第二静态均压电阻的另一端及第二SiC MOSFET管的漏极相连接。

还包括第一稳压二极管及第二稳压二极管，其中，第一稳压二极管的负极与第一功率端子相连接，第二稳压二极管的正极与第一稳压二极管的正极相连接，第二稳压二极管的负极与第一SiC MOSFET管的栅极相连接。

还包括第三稳压二极管，其中，第三稳压二极管的正极与第二SiC MOSFET管的源极相连接，第三稳压二极管的负极与第二电阻、第三电阻及第一静态均压电阻相连接。

还包括第一缓冲电路及第二缓冲电路，其中，第一缓冲电路的两端分别与第一SiCMOSFET管的漏极及源极相连接，第二缓冲电路的两端分别与第二SiC MOSFET管的漏极及源极相连接。

所述第一缓冲电路包括第一缓冲电容及第一缓冲电阻，其中，第一缓冲电容的一端与第一SiC MOSFET管的源极相连接，第一缓冲电容的另一端与第一缓冲电阻的一端相连接，第一缓冲电阻的另一端与第二SiC MOSFET管的漏极相连接。

所述第二缓冲电路包括第二缓冲电容及第二缓冲电阻，其中，第二缓冲电容的一端与第二SiC MOSFET管的源极相连接，第二缓冲电容的另一端与第二缓冲电阻的一端相连接，第二缓冲电阻的另一端与第二SiC MOSFET管的漏极相连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于级联SiC MOSFET的全固态直流断路器拓扑结构在具体操作时，执行单元中除了两个开关元件，其他元器件均为无源元件及二极管，成本低，可靠性较高。另外，在断开过程中，通过第一压敏电阻及第二压敏电阻在短路电流分段阶段吸收输电线路中的能量，从而保证级联的第一SiC MOSFET管及第二SiC MOSFET管实现动静态均压，使得第一SiC MOSFET管及第二SiC MOSFET管所承受的电压保持均衡，结构简单，操作方便，外围元件数量少，可靠性高，成本低。

附图说明

图1本发明的结构示意图。

其中，1为控制器、2为驱动器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1所示，本发明所述的基于级联SiC MOSFET的全固态直流断路器拓扑结构包括控制单元及执行单元，其中，控制单元包括控制器1及驱动器2，执行单元包括第一控制端子A、第二控制端子B、第一功率端子N、第二功率端子P、二极管D1、第一电阻Rg1、第二电阻Rg2、第三电阻Rg3、第一SiC MOSFET管M1、第二SiC MOSFET管M2、第一压敏电阻Var1、第二压敏电阻Var2、动态均压电容C2、驱动电容C1、第一静态均压电阻R1及第二静态均压电阻R2；控制器1的输出端与驱动器2的输入端相连接，驱动器2的输出端与第一控制端子A及第二控制端子B相连接，第一控制端子A与二极管D1的正极及第一电阻Rg1的一端相连接，第一电阻Rg1的另一端与第一SiC MOSFET管M1的栅极相连接，二极管D1的负极与第二压敏电阻Var2的一端、驱动电容C1的一端及第二电阻Rg2的一端相连接，第二电阻Rg2的另一端与第一静态均压电阻R1的一端及第三电阻Rg3的一端相连接，第三电阻Rg3的另一端与第二SiCMOSFET管M2的栅极相连接，第一功率端子N与第二控制端子B、驱动电容C1的另一端、第二压敏电阻Var2的另一端、第一静态均压电阻R1的另一端及第一SiC MOSFET管M1的源极相连接，第二SiC MOSFET管M2的源极与第一SiC MOSFET管M1的漏极、第二静态均压电阻R2的一端、动态均压电容C2的一端及第一压敏电阻Var1的一端相连接，第二功率端子P与第一压敏电阻Var1的另一端、动态均压电容C2的另一端、第二静态均压电阻R2的另一端及第二SiCMOSFET管M2的漏极相连接。

本发明还包括第一稳压二极管Zd1、第二稳压二极管Zd2及第三稳压二极管Zd3，其中，第一稳压二极管Zd1的负极与第一功率端子N相连接，第二稳压二极管Zd2的正极与第一稳压二极管Zd1的正极相连接，第二稳压二极管Zd2的负极与第一SiC MOSFET管M1的栅极相连接；第三稳压二极管Zd3的正极与第二SiC MOSFET管M2的源极相连接，第三稳压二极管Zd3的负极与第二电阻Rg2、第三电阻Rg3及第一静态均压电阻R1相连接。

本发明还包括第一缓冲电路及第二缓冲电路，其中，第一缓冲电路的两端分别与第一SiC MOSFET管M1的漏极及源极相连接，第二缓冲电路的两端分别与第二SiC MOSFET管M2的漏极及源极相连接。其中，所述第一缓冲电路包括第一缓冲电容Cs1及第一缓冲电阻Rs1，其中，第一缓冲电容Cs1的一端与第一SiC MOSFET管M1的源极相连接，第一缓冲电容Cs1的另一端与第一缓冲电阻Rs1的一端相连接，第一缓冲电阻Rs1的另一端与第二SiCMOSFET管M2的漏极相连接，所述第二缓冲电路包括第二缓冲电容Cs2及第二缓冲电阻Rs2，其中，第二缓冲电容Cs2的一端与第二SiC MOSFET管M2的源极相连接，第二缓冲电容Cs2的另一端与第二缓冲电阻Rs2的一端相连接，第二缓冲电阻Rs2的另一端与第二SiC MOSFET管M2的漏极相连接。

本发明的具体工作过程为：

当线路或设备处于正常工作状态时，控制器1发出高电平控制第一SiC MOSFET管M1及第二SiC MOSFET管M2导通，负载电流流过第一SiC MOSFET管M1及第二SiC MOSFET管M2的导通沟道。当电流检测信号表明电路中出现短路故障时，控制器1发出控制指令给驱动器2，驱动器2接到控制指令后将驱动电平由高变低，执行单元随后执行断流操作，通过第一压敏电阻Var1及第二压敏电阻Var2吸收短路的能量，当短路能量完全被吸收后，第一SiCMOSFET管M1及第二SiC MOSFET管M2均处于断开状态，断路器处于断开状态；当故障解除后，控制器1发出开通信号，驱动器2将驱动电平由低变高，第一SiC MOSFET管M1及第二SiCMOSFET管M2随即开通，负载电流流过第一SiC MOSFET管M1及第二SiC MOSFET管M2的导通沟道。

Claims (6)

1.一种基于级联SiC MOSFET的全固态直流断路器拓扑结构，其特征在于，包括控制单元及执行单元，其中，控制单元包括控制器(1)及驱动器(2)，执行单元包括第一控制端子(A)、第二控制端子(B)、第一功率端子(N)、第二功率端子(P)、二极管(D1)、第一电阻(Rg1)、第二电阻(Rg2)、第三电阻(Rg3)、第一SiC MOSFET管(M1)、第二SiC MOSFET管(M2)、第一压敏电阻(Var1)、第二压敏电阻(Var2)、动态均压电容(C2)、驱动电容(C1)、第一静态均压电阻(R1)及第二静态均压电阻(R2)；

控制器(1)的输出端与驱动器(2)的输入端相连接，驱动器(2)的输出端与第一控制端子(A)及第二控制端子(B)相连接，第一控制端子(A)与二极管(D1)的正极及第一电阻(Rg1)的一端相连接，第一电阻(Rg1)的另一端与第一SiC MOSFET管(M1)的栅极相连接，二极管(D1)的负极与第二压敏电阻(Var2)的一端、驱动电容(C1)的一端及第二电阻(Rg2)的一端相连接，第二电阻(Rg2)的另一端与第一静态均压电阻(R1)的一端及第三电阻(Rg3)的一端相连接，第三电阻(Rg3)的另一端与第二SiC MOSFET管(M2)的栅极相连接，第一功率端子(N)与第二控制端子(B)、驱动电容(C1)的另一端、第二压敏电阻(Var2)的另一端、第一静态均压电阻(R1)的另一端及第一SiC MOSFET管(M1)的源极相连接，第二SiC MOSFET管(M2)的源极与第一SiC MOSFET管(M1)的漏极、第二静态均压电阻(R2)的一端、动态均压电容(C2)的一端及第一压敏电阻(Var1)的一端相连接，第二功率端子(P)与第一压敏电阻(Var1)的另一端、动态均压电容(C2)的另一端、第二静态均压电阻(R2)的另一端及第二SiC MOSFET管(M2)的漏极相连接。

2.根据权利要求1所述的基于级联SiC MOSFET的全固态直流断路器拓扑结构，其特征在于，还包括第一稳压二极管(Zd1)及第二稳压二极管(Zd2)，其中，第一稳压二极管(Zd1)的负极与第一功率端子(N)相连接，第二稳压二极管(Zd2)的正极与第一稳压二极管(Zd1)的正极相连接，第二稳压二极管(Zd2)的负极与第一SiC MOSFET管(M1)的栅极相连接。

3.根据权利要求2所述的基于级联SiC MOSFET的全固态直流断路器拓扑结构，其特征在于，还包括第三稳压二极管(Zd3)，其中，第三稳压二极管(Zd3)的正极与第二SiC MOSFET管(M2)的源极相连接，第三稳压二极管(Zd3)的负极与第二电阻(Rg2)、第三电阻(Rg3)及第一静态均压电阻(R1)相连接。

4.根据权利要求1所述的基于级联SiC MOSFET的全固态直流断路器拓扑结构，其特征在于，还包括第一缓冲电路及第二缓冲电路，其中，第一缓冲电路的两端分别与第一SiCMOSFET管(M1)的漏极及源极相连接，第二缓冲电路的两端分别与第二SiC MOSFET管(M2)的漏极及源极相连接。

5.根据权利要求4所述的基于级联SiC MOSFET的全固态直流断路器拓扑结构，其特征在于，所述第一缓冲电路包括第一缓冲电容(Cs1)及第一缓冲电阻(Rs1)，其中，第一缓冲电容(Cs1)的一端与第一SiC MOSFET管(M1)的源极相连接，第一缓冲电容(Cs1)的另一端与第一缓冲电阻(Rs1)的一端相连接，第一缓冲电阻(Rs1)的另一端与第二SiC MOSFET管(M2)的漏极相连接。

6.根据权利要求5所述的基于级联SiC MOSFET的全固态直流断路器拓扑结构，其特征在于，所述第二缓冲电路包括第二缓冲电容(Cs2)及第二缓冲电阻(Rs2)，其中，第二缓冲电容(Cs2)的一端与第二SiC MOSFET管(M2)的源极相连接，第二缓冲电容(Cs2)的另一端与第二缓冲电阻(Rs2)的一端相连接，第二缓冲电阻(Rs2)的另一端与第二SiC MOSFET管(M2)的漏极相连接。