CN109600032B - 一种用于固态开关的缓冲吸收电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于固态开关的缓冲吸收电路，所述电路包括：缓冲支路和能量吸收支路，所述缓冲支路与所述能量吸收支路并联，且所述缓冲支路与所述能量吸收支路分别与固态开关并联，其中，所述缓冲支路包括缓冲电阻和缓冲电容，所述缓冲电阻和缓冲电容串联；所述能量吸收支路包括避雷器，所述能量吸收支路用于隔离电路故障以及吸收电路故障产生的能量。相比于现有技术，所述缓冲吸收电路降低了制造成本，避免了二极管等器件的选型困难，为固态开关安全运行提供切实可靠地保障。

Description

一种用于固态开关的缓冲吸收电路

技术领域

本发明属于电力电子驱动应用技术，尤其涉及一种用于固态开关的缓冲吸收电路。

背景技术

固态开关是利用电力电子阀串进行电流导通、开断的装置。由于在电流开断过程中会产生暂态过电压和暂态过电流，电路系统中需要配置电流缓冲电路；同时，由于电路系统发生故障时会产生一定的能量，电路系统中需配置能量吸收电路。缓冲吸收电路是固态开关安全可靠运行的保障。

在现有技术中，特别是高压、大电流等级的电路系统，设置RCD缓冲电路为固态开关的缓冲吸收电路的成本较高；并且RCD缓冲电路中对于高压二极管的选型也存在困难，如果高压二极管选型不合适，对固态开关的运行存在影响，甚至造成固态开关的损坏。

发明内容

为了解决现有技术中成本高、选型困难的技术问题，本发明提出了一种用于固态开关的缓冲吸收电路。

一种用于固态开关的缓冲吸收电路，所述电路包括：缓冲支路和能量吸收支路，所述缓冲支路与所述能量吸收支路并联，且所述缓冲支路与所述能量吸收支路分别与固态开关并联，其中，

所述缓冲支路包括缓冲电阻和缓冲电容，所述缓冲电阻和缓冲电容串联；

所述能量吸收支路包括避雷器，所述能量吸收支路用于隔离电路故障以及吸收电路故障产生的能量。

进一步地，所述能量吸收支路中避雷器为氧化锌避雷器。

进一步地，所述缓冲支路中缓冲电阻为：

其中，R为缓冲电阻阻值，U_sd为电力电子器件长期稳态耐压，I_main为陡波冲击电流幅值。

进一步地，所述缓冲支路中缓冲电容为：

其中，C为缓冲电容值，K为系数，t_res为陡波冲击电流波前时间，I_main为陡波冲击电流幅值，U_res为陡波冲击电流时的避雷器残压。

本发明所述缓冲吸收电路通过设置缓冲电阻参数和缓冲电容参数以及选择氧化锌避雷器，为固态开关开断过程中的产生的暂态过电压和暂态过电流提供了缓冲支路，而且提供了能隔离电路故障以及吸收所述故障产生的能量吸收支路，所述缓冲支路和能量吸收支路通过并联连接并分别与固态开关并联。相比于现有技术，所述缓冲吸收电路降低了制造成本，避免了二极管等器件的选型困难，为固态开关安全运行提供切实可靠地保障。本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的用于固态开关的缓冲吸收电路的结构示意图；

图2示出了根据本发明实施例的缓冲吸收电路的进一步结构示意图；

图3示出了根据本发明实施例的固态开关关断过程中避雷器两端电压和电流的波形示意图；

图4示出了根据本发明实施例的避雷器残压比对应K值的曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1示出了根据本发明实施例的用于固态开关的缓冲吸收电路的结构示意图。如图所示的电路组合拓扑结构，本发明实施例所述用于固态开关的缓冲吸收电路包括缓冲支路和能量吸收支路。其中，所述固态开关通过电力电子阀串实现电流导通或开断功能，所述固态开关通过并联方式实现与所述缓冲支路和能量吸收支路地连接；所述缓冲支路选择RC缓冲电路，所述RC缓冲电路为缓冲电阻和缓冲电容相串联的电路，所述RC缓冲电路为固态开关关断时产生的暂态过电压和暂态过电流提供缓冲，所述RC缓冲支路中不含有二极管等器件。对比现有技术中RCD缓冲电路，所述RC缓冲电路的成本低，因此，所述RC缓冲电路有效地为固态开关可靠运行提供保障、且降低了缓冲吸收电路的制造成本。本发明实施例中所述RC缓冲电路与所述能量吸收支路并联；所述能量吸收支路中包括避雷器等器件。优选地，本发明实施例选择氧化锌避雷器作为能量吸收支路中的避雷器。所述氧化锌避雷器用于隔离电路故障以及吸收电路故障产生的能量：当电路系统正常工作、固态开关实现电流导通时，所述氧化锌避雷器呈现高阻态，对电路系统无影响；当电路系统发生故障、固态开关关断时，所述氧化锌避雷器则呈现低阻态，从而实现系统故障地隔离以及故障产生的能量地吸收，保护固态开关及电力电子器件不受影响。

图2示出了根据本发明实施例的缓冲吸收电路的进一步结构示意图。如图所示，电力电子阀串、能量吸收支路和RC缓冲电路通过并联方式连接。示例性地，电路正常运行时，电流经所述电力电子阀串进行导通，电路系统正常工作；当电路系统发生故障后，所述电力电子阀串关断，电路系统中电流首先换流至所述RC缓冲电路，当所述电力电子阀串及电力电子器件两端电压高于所述能量吸收支路中避雷器的额定电压后，电流再逐渐换流至所述能量吸收支路，并在能量完全吸收后下降至0。本发明实施例所述缓冲吸收电路的RC缓冲电路中，线路杂散电感L_s1受阻容器件本身以及线路结构影响，并且在实际应用过程中会尽量减小线路杂散电感L_s1，故线路杂散电感L_s1的电感值相对较小，即在整个换流过程中，线路杂散电感L_s1的压降远小于所述RC缓冲电路的压降；在所述能量吸收支路中，器件寄生电感L_s2为线路杂散电感L_s1的等效杂散电感，器件寄生电感L_s2除受线路结构影响外，还受避雷器结构、趋肤效应等因素影响，器件寄生电感L_s2的伏安特性参考GB11032规定的陡波冲击电流下避雷器参数。

由于所述能量吸收支路中避雷器本身的伏安特性在参数选取过程中的计算较为复杂，且所述避雷器稳态伏安特性曲线测量困难，故本发明实施例中将GB11032规定的陡波冲击电流下的残压U_res作为能量吸收支路的已知参数。所述陡波冲击电流下的残压参数已经将杂散电感、趋肤效应、压敏特性等性质包含在内，并且测试相对简单，可以通过型式试验时被试比例单元的残压乘以比例系数计算得到。本发明实施例中电力电子器件陡波冲击电流波前时间t_res是已知条件，在所述能量吸收支路中避雷器参数选型时，可以通过改变所述避雷器的厚度，使所述避雷器在电力电子器件最大关断电流I_main冲击下，所述避雷器的残压U_res小于电力电子器件的暂态耐受电压U_tr。综上所述，陡波冲击电流幅值或电力电子器件最大关断电流I_main、陡波冲击电流波前时间t_res、电力电子器件暂态耐压U_tr、电力电子器件长期稳态耐压U_sd和陡波冲击电流幅值为I_main时避雷器残压U_res等数值均为已知条件，基于所述已知条件，需对所述RC缓冲支路中缓冲电阻参数和缓冲电容参数进行求解。

所述缓冲电阻的设置是为了确保在固态开关导通后，电力电子器件电流不超过最大关断电流I_main，从而保证所述器件正常工作，因此所述缓冲电阻阻值必须满足：

由于固态开关在关断过程中，电流首先换流至所述RC缓冲电路，所述缓冲电阻上产生很大的压降，并与杂散电感共同作用，会在所述RC缓冲电路中产生电压尖峰，故过大的缓冲电阻值不利于关断过程中能量吸收支路中避雷器对电力电子器件器件的保护作用；同时，由于电力电子器件短时通流能力一般较高，而所述RC缓冲电路和能量吸收支路中杂散电感可以一定程度限制开通时注入电力电子器件的电流，故缓冲电阻阻值R取值可略微减小，因此，本发明实施例所述缓冲电阻参数取值为：

其中，R为缓冲电阻阻值，U_sd为电力电子器件长期稳态耐压，I_main为电力电子器件最大关断电流。

当固态开关关断时，所述缓冲电容承受母线电压，所述电压最大为电力电子器件的长期稳态耐压U_sd，另已知电力电子器件最大关断电流I_main与冲击残压U_res，可以通过选取合适的缓冲电容值C降低所述能量吸收支路中避雷器的电流上升速度，当关断过程中所述避雷器上电流上升速度比残压测试中的电流更慢时，所述避雷器上不会产生比测试残压更高的电压。因此，假设电力电子器件关断后电流瞬间转移至所述RC缓冲电路，设电力电子器件关断时刻t＝0，主回路电流全部转移至所述能量吸收支路中避雷器的时间为t₁；同时，考虑实际应用中线路电感较大，认为固态开关关断后一段时间内主回路电流基本不变，设主回路电流恒等于I_main、所述RC缓冲电路电流为I_RC、所述能量吸收支路电流为I_mov、所述缓冲电容两端电压为U_C、所述缓冲电阻压降为U_R、电力电子器件两端实际电压为U。在任意时刻，均有：

当电力电子器件关断时刻t＝0时，I_RC＝I_main，U_C＝0，代入R＝U_sd/I_main，则：

基于线路杂散电感L_S1很小的假设，电力电子器件两端实际电压U(0)略大于长期稳态耐压U_sd，不会超过电力电子器件的暂态耐压U_tr。

当主回路电流全部转移至所述能量吸收支路中避雷器的时间t＝t₁时，所述RC缓冲电路电流I_RC＝0，所述能量吸收支路电流I_mov＝I_main。若主回路电流短时间不变，则认为所述RC缓冲电路上短时间稳态。有：

且有：

综合有：

C·U_c(t₁)＜I_main·t₁

即：

式中可知，由于缓冲电阻R的存在，t＝0时所述避雷器两端电压U(0)超过电力电子器件长期稳态耐压U_sd，即U(0)≥U_sd；而所述避雷器额定电压与电力电子器件长期稳态耐压U_sd接近，此时所述能量吸收支路已有mA级以上的电流。所述能量吸收支路中开始出现电流之后，所述RC缓冲电路电流I_RC继续对所述缓冲电容充电，所述避雷器两端电压逐步上升，并在t＝t1时通过所述避雷器的电流I_mov到达最大值，由于避雷器非线性电阻特性，通过所述避雷器的电流I_mov在电压较高时的上升速度更快，故t₁>t_f，图3示出了根据本发明实施例的固态开关关断过程中避雷器两端电压和电流的波形示意图。

鉴于t₁与t_f存在一定的关系又不完全相同，设电压上升时间t₁与所述避雷器电流I_mov的波前时间t_f有如下关系：

t₁＝K·t_f

由于本发明实施例所述能量吸收支路中避雷器优选氧化锌避雷器，通过将避雷器I-U曲线的仿真，得出系数K与所述避雷器氧化锌材料的残压比有关，图4示出了根据本发明实施例的避雷器残压比对应K值的曲线示意图。

由已知条件可知，在幅值为I_main、波前时间为t_res的陡波冲击电流作用下，所述能量吸收支路中避雷器的测试残压为U_res。因为所述避雷器的冲击残压U_res随波前时间t_res的变化较小，在测量精度不高时可以假设t＝t₁时刻，电力电子器件两端电压U_t1等于所述避雷器的冲击残压U_res；再考虑实际中线路杂散电感等因素，所以需要t_f>t_res才能满足电力电子器件两端的真实电压不超过测试电压的要求，即：

则只需满足：

进而得出：

因此，本发明实施例所述缓冲电容参数取值为：

其中，其中，C为缓冲电容值，K为系数，U_mov为避雷器两端电压，t_res为陡波冲击电流波前时间，I_main为陡波冲击电流幅值，U_res为陡波冲击电流时的避雷器残压。

本发明实施例所述缓冲吸收电路通过设置缓冲电阻参数和缓冲电容参数以及选择氧化锌避雷器，为固态开关开断过程中的产生的暂态过电压和暂态过电流提供缓冲支路，而且提供了能隔离电路故障以及吸收所述故障产生的能量吸收支路，所述缓冲支路和能量吸收支路并联并分别与固态开关并联。相比于现有技术，所述缓冲吸收电路降低了制造成本，避免了对二极管等器件的选型困难，为固态开关安全运行提供切实可靠地保障。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种用于固态开关的缓冲吸收电路，所述电路包括：缓冲支路和能量吸收支路，所述缓冲支路与所述能量吸收支路并联，且所述缓冲支路与所述能量吸收支路分别与固态开关并联，其中，

所述缓冲支路包括缓冲电阻和缓冲电容，所述缓冲电阻和缓冲电容串联；

所述能量吸收支路包括避雷器，所述能量吸收支路用于隔离电路故障以及吸收电路故障产生的能量；

所述缓冲支路中缓冲电阻为：

其中，R为缓冲电阻阻值，U_sd为电力电子器件长期稳态耐压，I_main为陡波冲击电流幅值；

设主回路电流恒等于I_main、所述缓冲支路电流为I_RC、所述能量吸收支路电流为I_mov、所述缓冲电容两端电压为U_C、所述缓冲电阻压降为U_R、电力电子器件两端实际电压为U；

在任意时刻，均有：

当电力电子器件关断时刻t＝0时，I_RC＝I_main，U_C＝0，代入R＝U_sd/I_main，则：

L_S1为线路杂散电感，当主回路电流全部转移至所述能量吸收支路中避雷器的时间t＝t₁时，所述缓冲支路电流I_RC＝0，所述能量吸收支路电流I_mov＝I_main；有：

且有：

综合有：

C·U_c(t₁)＜I_main·t₁

即：

式中可知，由于缓冲电阻R的存在，t＝0时所述避雷器两端电压U(0)超过电力电子器件长期稳态耐压U_sd，即U(0)≥U_sd；而避雷器额定电压与电力电子器件长期稳态耐压U_sd接近，此时所述能量吸收支路已有mA级以上的电流；所述能量吸收支路中开始出现电流之后，所述缓冲支路电流I_RC继续对所述缓冲电容充电，所述避雷器两端电压逐步上升，并在t＝t₁时通过所述避雷器的电流I_mov到达最大值，由于避雷器非线性电阻特性，通过所述避雷器的电流I_mov在电压较高时的上升速度更快，故t₁>t_f；

设电压上升时间t₁与所述避雷器电流I_mov的波前时间t_f有如下关系：

t₁＝K·t_f

在幅值为I_main、波前时间为t_res的陡波冲击电流作用下，所述能量吸收支路中避雷器的测试残压为U_res；需要t_f>t_res才能满足电力电子器件两端的真实电压不超过测试电压的要求，即：

则只需满足：

进而得出：

因此，所述缓冲电容参数取值为：

其中，C为缓冲电容值，K为系数，t_res为陡波冲击电流波前时间，I_main为陡波冲击电流幅值，U_mov为避雷器两端电压，U_res为陡波冲击电流时的避雷器残压。

2.根据权利要求1所述的缓冲吸收电路，其特征在于，所述能量吸收支路中避雷器为氧化锌避雷器。

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