CN109449878A - 低压直流智能开关控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开一种低压直流开关控制系统，包括：主开关、采样电路、控制电路、DC/DC正反激电路；所述采样电路采集所述主开关漏源级间的压降为采样信号；所述控制电路根据所述采样信号判断所述主开关故障后，发出断开指令；所述DC/DC正反激电路接收所述动作指令，根据所述断开指令控制所述主开关断开。本发明实施例，采样电路采集主开关漏源级间的压降为采样信号，控制电路根据采样信号判断主开关故障后，发出断开指令，DC/DC正反激电路接收动作指令，根据断开指令控制主开关断开。从而能够在更短时间内控制主开关断开，以提高故障隔离速度。
Description
技术领域
本发明涉及电气领域，尤其涉及一种低压直流智能开关控制系统。
背景技术
随着新能源发电技术的广泛应用及直流负载的增多，直流配电技术迎来了 发展的热潮，微电网与各种新能源发电技术结合形成了直流配电网和直流微电 网的概念，与交流配(微)电网相比,直流配(微)电网供电容量大、线路成本 低、损耗小、供电可靠性高、可控性强、电能质量好，更适于各类分布式新能 源电源和负载接入。然而缺乏有效的直流保护技术，制约着直流配(微)电网 的进一步发展，直流保护开关作为直流保护的关键设备，成为近年来的研究热 点。
直流保护开关研制的难点之一是直流系统不存在自然过零点，必须采用特 殊的方法制造出电流零点，且由于直流故障电流上升速度快、峰值高，所以在 极短的时间内切断故障电流才能达到保护需求。
发明内容
本发明实施例提供一种低压直流智能开关控制系统，能够提高故障隔离速 度。
本发明实施例采用如下技术方案：
低压直流开关控制系统，包括：相互连接的主开关、采样电路、控制电路 和DC/DC正反激电路；
所述采样电路采集所述主开关漏源级间的压降为采样信号；
所述控制电路根据所述采样信号判断所述主开关故障后，发出断开指令；
所述DC/DC正反激电路接收所述动作指令，根据所述断开指令控制所述 主开关断开。
基于上述技术方案的低压直流开关控制系统，采样电路采集主开关漏源级 间的压降为采样信号，控制电路根据采样信号判断主开关故障后，发出断开指 令，DC/DC正反激电路接收动作指令，根据断开指令控制主开关断开。从而能 够在更短时间内控制主开关断开，以提高故障隔离速度。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性 的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明 的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明实施例示出的低压直流开关控制系统的结构示意图之一。
图2为本发明实施例示出的低压直流开关控制系统的结构示意图之二。
图3为本发明实施例示出的低压直流开关控制系统的结构示意图之三。
图4为本发明实施例示出的控制电路23的判断流程示意图。
图5为本发明实施例示出的保护开关21工作时序图。
图6为本发明实施例示出的直流故障实验平台示意图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描 述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。 以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施 方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相 一致的装置和方法的例子。
本发明实施例的低压直流开关控制系统采用全新的可编程、超快速反应的 宽禁带半导体低压直流保护开关拓扑结构。
本发明实施例提供一种低压直流开关控制系统，如图1所示，该系统包括： 主开关21、采样电路22、控制电路23、DC/DC正反激电路24；
所述采样电路22采集所述主开关21漏源级间的压降为采样信号；
所述控制电路23根据所述采样信号判断所述主开关21故障后，发出断开 指令；
所述DC/DC正反激电路24接收所述动作指令，根据所述断开指令控制所 述主开关21断开。
本发明实施例，采样电路22在故障发生时，进行快速可靠的故障采样， 采集采样信号，为接下来的保护提供依据。
具体的，当故障发生时，会有一个大的故障电流流过主开关21，而在短时 间内，故障电流与漏源级间的压降可以认为是呈线性关系的，本发明实施例以 主开关SiC JFET漏源级间的压降为采样信号反应故障电流的大小，无需添加 其他的故障电流检测电路，使采样快速简单，也没有额外的损耗。
采样信号输入到控制电路23，通过控制电路23判断故障并选择保护动作 方式。本发明实施例考虑了不同类型的电流故障类型，结合不同的保护方法同 时实现了对过载故障和断路故障的保护。
DC/DC正反激电路24接收到控制电路23的驱动信号后，快速驱动主开关 关断从而切断故障电流。本发明实施例驱动主开关关断需要给它的栅源级提供 一个-15V的电压，本发明实施例采用了一个DC/DC正反激电路的设计，使其 在接收到单片机的驱动信号后，快速为JFET的栅源级提供一个稳定的-15V电 压，从而断开故障电流。
本发明实施例的低压直流开关控制系统，采样电路采集主开关漏源级间的 压降为采样信号，控制电路根据采样信号判断主开关故障后，发出断开指令， DC/DC正反激电路接收动作指令，根据断开指令控制主开关断开。从而能够在 更短时间内控制主开关断开，以提高故障隔离速度。
在一个实施例中，主开关21为1200V常通型SiC JFET(UJN1205K)器件， 在栅级零偏置时，具有45mΩ的通态电阻，在栅极电压负16V时，关断电压为1420V。
具体的，主开关21在栅级零偏置时，具有45mΩ的极低通态电阻，在栅 极电压负16V时，关断电压为1420V，且具有极快的开关速度，适用于直流保 护开关设计。
本发明实施例提供的主开关21为1200V常通型SiC JFET(UJN1205K)器 件，其快速开关特性可以实现直流保护开关快速动作。由于主开关SiC JFET 具有导通电阻低、开关速度快、耐高温及热稳定性高等优点，具有常通 (Normally-on)和常断(Normally-off)两种类型。在许多功率开关应用中， 常断型器件常常优于常通型器件，它们可以在无控制功率的情况下阻断电压。 对于大多数时间处于导通状态的故障保护系统，常通型器件不需要正偏电压来 保持其额定导通增加了系统的可靠性。
本发明实施例的低压直流开关控制系统对其它部分进行优化设计从而进 一步缩短采样时间、控制电路处理时间以及驱动电路产生负压的时间，提高故 障隔离速度。
在一个实施例中，如图2所示，该低压直流开关控制系统可以进一步包括 红外发射报警端25及报警接收端26，红外发射报警端25发出警报信号，报警 接收端26接收警报信号并发出报警提示。
在一个实施例中，如图3所示，采样电路22包括电阻R1和R2，电容C1和C2，稳压二极管D1，其中R2和C1串联后与R1并联，再与D1和C2组成的 并联电路串联连接。
在一个实施例中，所述控制电路23在所述主开关21漏源的压降超过设置 的短路阈值时，则判断所述主开关故障为短路故障，发出所述断开指令；
或者，在一个实施例中，所述控制电路23在所述主开关21漏源的压降小 于设置的短路阈值且大于所述主开关21的额定阈值的持续时长达到设置时长 时，则判断所述主开关故障为过载故障，发出所述断开指令。
在一个实施例中，所述控制电路在所述主开关漏源的压降超过设置的短路 阈值时，则判断所述主开关故障为短路故障，发出所述断开指令包括：
所述控制电路在所述主开关漏源的压降超过设置的短路阈值时，则判断所 述主开关故障为短路故障，直接发送脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)驱动信号，控制所述DC/DC正反激电路中MOSFET导通和关断，DC/DC 正反激电路开始工作并给所述主开关提供一个稳定的反向偏置电压以确保主 开关SiC JFET断开，可靠的隔离短路故障。
在一个实施例中，所述控制电路在所述主开关漏源的压降小于设置的短路 阈值且大于所述主开关的额定阈值的持续时长达到设置时长时，则判断所述主 开关故障为过载故障，发出所述断开指令包括：
所述控制电路在所述主开关漏源的压降小于设置的短路阈值且大于所述 主开关的额定阈值的持续时长达到设置时长时，则判断所述主开关故障为过载 故障，则发出脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation,PWM)信号驱动所述主 开关切断故障电流。
在一个实施例中，如图3所示，所述控制电路包括STM8S106控制芯片及 其外围电路，其中控制芯片的PB6端接收采样电路中的电压信号，PD2端发出 驱动DC/DC正反激电路工作的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM) 驱动信号。
本发明实施例中，控制电路23的微控制器采用意法半导体公司的 STM8S105，具体判断流程设计如图4所示，当直流系统发生故障时，采样电 路采样JFET的漏源极电压，首先判断是否超过单片机内预设的短路阈值，若 超过则直接发送PWM驱动信号，控制DC/DC变换器中MOSFET导通和关断， DC/DC变换器开始工作并给JFET提供一个稳定的反向偏置电压以确保保护开 关可靠的隔离短路故障；若未超过短路阈值且大于JFET额定阈值，认为电路处于过载故障状态，则通过一段时间延时再判断，若仍超过过载阈值，则发出 PWM信号驱动保护开关切断故障电流。当故障清除后，主回路中无直流故障 电流，此时SiC JFET的漏源极电压低于驱动电路的激活阈值电压，固态保护 开关则被重置，保护开关恢复正常运行。
在一个实施例中，所述DC/DC正反激电路24接收所述动作指令，根据所 述断开指令控制所述主开关断开之后，还包括：
所述控制电路23检测到所述主开关的漏源极电压低于主开关的额定阈值， 则发出恢复指令，所述DC/DC正反激电路24控制所述主开关闭合。
在一个实施例中，所述DC/DC正反激电路24接收所述动作指令，根据所 述断开指令控制所述主开关断开包括：
所述DC/DC正反激电路为所述主开关提供所述主开关动作的所需恒定电 压，使得所述主开关断开。
在一个实施例中，所述DC/DC正反激电路24为所述主开关提供所述主开 关动作的所需恒定电压，使得所述主开关断开包括：
在一个实施例中，如图3所示，DC/DC正反激电路24原边绕组L1和开关 管MOSFET串联连接，副边绕组L2，D2及C3串联连接构成的回路组成反激电 路，副边绕组L3，D3及C3串联连接构成的回路组成正激电路。所述DC/DC 正反激电路提供可靠的电气隔离和稳定的门极负电压以保证故障电流快速切 除，当DC/DC变压器原边电路中串联的MOSFET开通后，所述DC/DC正反 激电路的变压器原边绕组L1两端的电压为上正下负，与L1耦合的绕组L2两端 的电压为上正下负，而所述DC/DC正反激电路绕组L3两端的电压是上负下正。 此时正激电路先动作，D3处于通态，D2处于断态，电容C3的电压开始逐渐上 升。当MOSFET断开后，绕组L3能量转移停止，此时反激电路导通，D3处于 断态，D2处于通态，储存在绕组L2中的能量开始通过D2维持电容C3两端的 电压，保持SiC JFET栅极偏置电压不变直至短路故障被切除。
在一个实施例中，如图3所示，所述DC/DC正反激电路包括DC/DC变压 器原边绕组L1，原边开关管MOSFET，变压器副边绕组L2和L3，二极管D2和 D3，输出电容C3，稳压二极管D4，其中原边绕组L1和开关管MOSFET串联连 接，副边绕组L2，D2及C3串联连接构成的回路组成反激电路，副边绕组L3，D3及C3串联连接构成的回路组成正激电路。
在一个实施例中，DC/DC正反激电路24提供可靠的电气隔离和稳定的门 极负电压以保证故障电流快速切除，当MOSFET开通后，变压器一次侧绕组 L1两端的电压为上正下负，与其耦合的绕组L2两端的电压为上正下负，而绕 组L3两端的电压是上负下正。此时正激电路先动作，D3处于通态，D2处于断 态，电容C3的电压开始逐渐上升。当MOSFET断开后，绕组L3能量转移停止， 此时反激电路导通，D3处于断态，D2处于通态，储存在绕组L2中的能量开始 通过D2维持电容C3两端的电压，保持SiC JFET栅极偏置电压不变直至短路故 障被切除。
在一个实施例中，在开所述主开关断开后通过并联在主开关SiC JFET漏 源极两端的金属氧化物压敏电阻(Metal oxside varistor,MOV)抑制过电压、吸 收电路中的能量。
图5为保护开关21工作时序图。在t0时刻发生故障，故障电流ids迅速上 升，同时采样电压VC2也开始上升，当VC2的值超过控制器中设置的短路阀值 Vth1时，控制器从t1时刻达到发信号的条件，经过一段时间的转换与数据处理， 在t2时刻控制器发出PWM波给MOSFET门极触发其导通。当MOSFET栅源 级电压Vgs-MOSFET第一次超过其导通阈值Vth2时，即t3时刻，MOSFET开始导 通，DC/DC变压器原边开始充电，此时正反激电路的正激电路开始工作，使VC3开始充电，同时JFET栅源级电压Vgs-JFET开始下降，当Vgs-JFET超过JFET 关断电压阈值时，JFET关断。在t5时刻，MOSFET关断，反激电路开始工作， 使Vgs-JFET进一步降低。在这之后Vgs-JFET维持负偏，持续驱动JFET关断。
本发明实施例以主开关漏源级压降为采样信号。采样简单快速无需其它外 部器件，现有的采样一般是用电流霍尔传感器或者是采样电阻，前者时间上需 要一个较长的延时，而后者增加了通态损耗，且都增加了保护开关的成本。
现有的直流保护开关并未充分考虑不同的故障类型。其控制电路主要集中 在对自身动作特性的改善上，未考虑具体应用场景时不同保护方案的实现。本 发明实施例在考虑直流系统故障时存在的过载故障和短路故障的基础上，针对 不同故障实行不同的保护动作，从而同时实现对不同故障类型的保护，提高了 保护开关的可靠性，使其应用更为灵活。
本发明实施例的系统搭建直流配电网故障保护实验平台，验证本发明实施 例提供的系统的有效性。为了验证固态保护开关对于故障的响应性能，研制了 基于SiC JFET的直流固态保护开关样机，搭建了如图6所示的直流故障实验 平台。其中，负载电阻Rload为50Ω，采用2Ω，2kW的功率电阻作为故障电阻。 开关S1与固态保护开关和故障电阻Rfault相连接，通过控制S1通断产生短路和 过载故障，依赖保护开关的有效关断隔离故障。由于保护开关可以切断不同电 流大小的故障，则可通过调节直流电压大小进行分组验证。
以400V直流系统为例，设直流母线额定电流为30A，对超过额定电流的 过载故障及超过4倍额定电流的短路故障进行实验。Vdc为直流母线电压，VR为故障电阻两端电压，故障电阻为2Ω，Vgs-MOSFET是DC/DC变换器的开关器件 MOSFET的栅源级电压，Vgs-JFET是直流保护开关主开关器件SiC JFET的栅源 级电压。当直流保护开关主开关器件SiC JFET的栅极偏置电压Vgs-JFET从0V 降到-15V时，常通型SiC JFET动作，开断主电路，从而切除故障。
控制电路23中设置过载阈值为额定电流30A，短路阈值为4倍额定电流 120A，判断为过载后设定延时约为100μs。将实验母线电压Vdc加到300V，即 产生约为150A的故障电流，直流保护开关主开关器件SiC JFET的栅源极电压 Vgs-JFET由0降至-15V的响应时间约为8μs。从故障电阻两端电压VR的波形也 可以看出在8μs左右故障电流被有效阻断。将实验母线电压Vdc加到200V，即 产生约为100A的故障电流以模拟过载故障，根据程序设置，在检测到过载故 障后，延时100μs，再次检测后还处于故障状态则驱动保护开关切断故障电流。
本发明实施例采用新一代宽禁带半导体器件常通型SiC-JFET为主开关。 直流保护开关大部分时间处在导通状态，因为不需要正偏电压维持开关管导 通，常通型器件的应用增加了直流保护开关的可靠性。
本发明实施例以主开关JFET漏源级压降为采样信号，快速检测到故障， 配合单片机控制电路判断故障类型并实行不同的保护动作。在故障发生时，故 障电流流过主开关SiC-JFET漏源级产生电压降，由于时间极短可以认为该压 降与故障电流成比例关系，以该压降为采样信号输入单片机，通过采样信号的 大小判断不同的故障类型，在一到三倍额定电流时认为是过载故障，在超过四 倍额定电流认为是短路故障，过载故障时采取延时再判断后处理故障，短路故 障时直接切断故障电流。
本发明实施例DC/DC正反激电路24提供可靠的电气隔离且保证故障电流 快速切除。通过对驱动电路的优化设计，在单片机发出驱动信号后，DC/DC 正反激电路快速工作，在极短的时间产生一个负栅源级电压使主开关SiC-JFET 关断，从而隔离故障。
本发明实施例当电路处于正常导通状态时，充分发挥常通型宽禁带半导体 器件导通损耗低的优势，大幅降低直流保护开关的通态损耗；
本发明实施例利用JFET漏源级之间的电压为直流保护开关的采样信号， 结合单片机实现保护开关的可编程功能，可以实现不同电流等级的断开，使其 保护的电流范围更广，应用更灵活。
本发明实施例当电路出现短路或过载故障时，通过检测固态保护开关开关 器件上的压降来鉴别故障的发生，将固态保护开关的响应速度从机械式直流保 护开关的几十毫秒或传统固态直流保护开关的几十微秒降为几微秒，并通过实 验验证了大电流情况下的工作特性，在8微秒内实现了150A故障电流的切除。
本发明实施例的低压直流开关控制系统，采样电路采集主开关漏源级间的 压降为采样信号，控制电路根据采样信号判断主开关故障后，发出断开指令， DC/DC正反激电路接收动作指令，根据断开指令控制主开关断开。从而能够在 更短时间内控制主开关断开，以提高故障隔离速度。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的， 并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的 情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见 的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对 市场中的技术的改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露 的各实施例。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公 开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化， 这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开 的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。
Claims (10)
1.一种低压直流开关控制系统，其特征在于，包括：相互连接的主开关、采样电路、控制电路和DC/DC正反激电路；
所述采样电路采集所述主开关漏源级间的压降为采样信号；
所述控制电路根据所述采样信号判断所述主开关故障后，发出断开指令；
所述DC/DC正反激电路接收所述动作指令，根据所述断开指令控制所述主开关断开。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述控制电路在所述主开关漏源的压降超过设置的短路阈值时，则判断所述主开关故障为短路故障，发出所述断开指令；
或者，所述控制电路在所述主开关漏源的压降小于设置的短路阈值且大于所述主开关的额定阈值的持续时长达到设置时长时，则判断所述主开关故障为过载故障，发出所述断开指令。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制电路在所述主开关漏源的压降超过设置的短路阈值时，则判断所述主开关故障为短路故障，发出所述断开指令包括：
所述控制电路在所述主开关漏源的压降超过设置的短路阈值时，则判断所述主开关故障为短路故障，直接发送脉冲宽度调制PWM驱动信号，控制所述DC/DC正反激电路中MOSFET导通和关断，DC/DC正反激电路开始工作并给所述主开关提供一个稳定的反向偏置电压以确保主开关SiC JFET断开，可靠的隔离短路故障。
4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述控制电路在所述主开关漏源的压降小于设置的短路阈值且大于所述主开关的额定阈值的持续时长达到设置时长时，则判断所述主开关故障为过载故障，发出所述断开指令包括：
所述控制电路在所述主开关漏源的压降小于设置的短路阈值且大于所述主开关的额定阈值的持续时长达到设置时长时，则判断所述主开关故障为过载故障，则发出脉冲宽度调制PWM信号驱动所述主开关切断故障电流。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，
所述主开关为1200V常通型SiC JFET(UJN1205K)器件，在栅级零偏置时，具有45mΩ的通态电阻，在栅极电压负16V时，关断电压为1420V。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述DC/DC正反激电路接收所述动作指令，根据所述断开指令控制所述主开关断开之后，还包括：
所述控制电路检测到所述主开关的漏源极电压低于主开关的额定阈值，则发出恢复指令，所述DC/DC正反激电路控制所述主开关闭合。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的系统，其特征在于，所述DC/DC正反激电路接收所述动作指令，根据所述断开指令控制所述主开关断开包括：
所述DC/DC正反激电路为所述主开关提供所述主开关动作的所需恒定电压，使得所述主开关断开。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述DC/DC正反激电路为所述主开关提供所述主开关动作的所需恒定电压，使得所述主开关断开包括：
DC/DC正反激电路原边绕组L1和开关管MOSFET串联连接，副边绕组L2，D2及C3串联连接构成的回路组成反激电路，副边绕组L3，D3及C3串联连接构成的回路组成正激电路。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其特征在于，在开所述主开关断开后通过并联在主开关SiC JFET漏源极两端的金属氧化物压敏电阻MOV抑制过电压、吸收电路中的能量。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的系统，其特征在于，所述采样电路包括电阻R1和R2，电容C1和C2，稳压二极管D1，其中R2和C1串联后与R1并联，再与D1和C2组成的并联电路串联连接；
所述控制电路包括STM8S106控制芯片及其外围电路，其中控制芯片的PB6端接收采样电路中的电压信号，PD2端发出驱动DC/DC正反激电路工作的脉冲宽度调制(Pulse WidthModulation,PWM)驱动信号；
所述DC/DC正反激电路包括DC/DC变压器原边绕组L1，原边开关管MOSFET，变压器副边绕组L2和L3，二极管D2和D3，输出电容C3，稳压二极管D4，其中原边绕组L1和开关管MOSFET串联连接，副边绕组L2，D2及C3串联连接构成的回路组成反激电路，副边绕组L3，D3及C3串联连接构成的回路组成正激电路。
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