CN109921648A - 一种GaN大电流自供电双向直流固态断路器及直流电源系统 - Google Patents

一种GaN大电流自供电双向直流固态断路器及直流电源系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GaN大电流自供电双向直流固态断路器及直流电源系统，属于直流电源供电和配电领域。具体由两组串联的主开关S及其对应的反激变换器C构成，每组主开关S是由若干个性能参数一致的宽禁带半导体材料氮化镓制作的固体开关S1、S2、……、Sn并联构成，并且都是常通型结构和双向电流传输特性，对应的反激变换器C是具有宽输入电压范围的自激式结构，依靠故障电路的大电流在主开关两端产生的电压来激励工作，并输出稳定的电压驱动并联的半导体固体开关同步动作，断开负载和直流电源，达到保护负载和电源的目的，而且断路器在传递正常电流和断开负载的过程中无需外电源供电。

Description

一种GaN大电流自供电双向直流固态断路器及直流电源系统
技术领域
本发明涉及直流电源供电和配电领域，更具体地说，涉及一种GaN大电流自供电双向直流固态断路器及直流电源系统。
背景技术
最近，光伏发电、储能电池、燃料电池和其它的分布式发电等直流电源吸引了越来越多的注意，在工业、商业和居民区环境，IT设备、LED路灯和可调速电机驱动等依靠直流电源供电的电子负载的数量成倍增加，在舰艇、飞机、通信系统、电动汽车充电站和数据中心，直流电源在减少AC/DC转换环节、降低成本、提高效率和可靠性等方面变得越来越有吸引力。然而，短路保护仍旧是直流电源系统应用中的一个关键技术障碍，传统的塑壳式机械断路器具有可靠性高、开断能力强、通态损耗小等优点，但也有动作速度慢、动作一致性差，且在动作过程中常有电弧产生、易损毁触头、使用寿命短等缺点。基于半导体材料硅的固态断路器，利用现代大功率电力电子技术，在动作速度上具有较大的优势，这些断路器依靠电流传感器探测短路故障产生的过电流，控制单元处理过电流信号来决定是否关断主开关，但具有容量有限、过载能力差、正常工作时损耗大、不能完全开断隔离电路等缺点。混合直流断路器继承了机械断路器通态损耗低以及固态断路器开断迅速的特点，成为目前断路器研究的主要方向。
随着宽禁带半导体器件技术的进步，基于半导体材料碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)的断路器引起了人们的注意。SiC单极器件，像静电感应晶体管(SIT)、结型场效应晶体管(JFET)和金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)等具有非常宽的安全工作区，在静态和瞬态条件下，相比Si器件而言，宽禁带半导体材料制备的器件具有更低的通态电阻、更高的热导率，并能承受更高的工作结温。
美国专利US2015/0280417A1提出了一种自供电的直流固态断路器，有单向传输和双向传输两种结构形式，断流器由常通型宽禁带半导体材料制备的固体开关、DC/DC变换器、若干电阻、二极管、避雷器、电容器等构成，依靠半导体固体开关、DC/DC变换器和二极管的配置结构和形式，断流器能工作在单向、双向等两种直流电源形式。该专利是依靠和半导体固体开关并联的第一电阻和第二电阻提取故障信号，并且是单个半导体固体开关传递电流，在半导体固体开关关断后回路的能量依靠避雷器耗散。申请号为2016100013180的专利公开了一种自供电双向直流固态断路器，由常通型碳化硅固态功率开关管、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构成，正向电流检测电路包括第一电阻和第二电阻，反向电流检测电路包括第三电阻和第四电阻。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有采用半导体固体开关作为主开关的直流断流器存在容量有限、配置结构复杂、成本高等缺点，提出一种GaN大电流自供电双向直流固态断路器及直流电源系统。该结构不但能够大幅度提高断路器的容量，而且能简化断路器的结构，提高断路器的可靠性。
2.技术方案
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种GaN大电流自供电双向直流固态断路器，包括，两组主开关和其对应的反激变换器，每组主开关和对应的反激变换器并联，每组主开关由若干宽禁带GaN半导体固体开关并联构成，两组主开关之间串联连接。正常状态下主开关在直流电源和负载之间，起到传递电流的功能，故障状态下反激变换器工作驱使主开关断开直流电源和负载，起到保护电源和负载的功能。
优选地，主开关和反激变换器的连接关系如下，
若干个并联的宽禁带GaN半导体固体开关按对称结构布置；若干个宽禁带GaN半导体固体开关的驱动电极从它们的对称点中心引出连接线，连接到反激变换器输出端的负极；
反激变换器输出端的正极连接到半导体固体开关阴极的对称点中心；反激变换器输入端的正极连接到宽禁带GaN半导体固体开关阳极的对称点中心；反激变换器输入端的负极连接到宽禁带GaN半导体固体开关阴极的对称点中心；
两组主开关其中一组的宽禁带GaN半导体固体开关的阳极从它们的对称点中心引出连接线，连接到直流电源；宽禁带GaN半导体固体开关的阴极从它们的对称点中心引出连接线，连接到另一组主开关的宽禁带GaN半导体固体开关的阳极，另一组主开关的宽禁带GaN半导体固体开关的阴极与负载连接。
优选的，反激变换器输入端的正极和宽禁带GaN半导体固体开关的阳极从它们的对称点之间设置有二极管，二极管正极与宽禁带GaN半导体固体开关的阳极从它们的对称点连接，二极管负极与反激变换器输入端连接；
优选地，所述宽禁带GaN半导体固体开关为常通型结构，传递正常电流时无需额外的驱动信号。
优选地，所述宽禁带GaN半导体固体开关为对称结构，具有双向电流传输特性。
优选地，所述的宽禁带GaN半导体固体开关为GaN HEMT。
优选地，反激变换器是自激式结构。在故障发生的初期就能及时采集故障信号，尽快输出电压关断主开关。反激变换器是宽输入电压范围的自激式反激变换器，无需额外电源供电，无需配置分压电阻和采样电阻。
一种直流电源系统，直流电源系统包括上述所述的GaN大电流自供电直流固态断路器，断路器主开关串联在电源和负载之间。当电路发生故障导致主电路瞬态大电流时，其中的一组主开关立即动作，将直流电源和负载断开，只有一组主开关动作，另外一组主开关保持自然状态。
优选地，具体连接方式如下，负载的一端连接电源的负极，另一端连接断路器其中一个主开关中宽禁带GaN半导体固体开关的阴极对称点中心，电源的正极与断路器另一个主开关中宽禁带GaN半导体固体开关的阳极对称点中心相连。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
1)本专利无需额外的附加电源给断路器供电，尤其适合在野外和偏远地区的应用，仅仅由故障电流产生驱动信号，而不是像机械开关和增强型半导体固体开关需要提供额外的附加电源，在减小设备要求、降低成本的同时还能提高断路器的可靠性和灵活性。
2)美国专利US2015/0280417A1采用常规结构的反激变换器，采集故障信号的灵敏度不够高，需要从并联的第一电阻和第二电阻那里获取故障信号，第一电阻和第二电阻阻值的选取决定了反激变换器探测故障信号的快慢，而不同应用场合所产生的故障电流的大小不一致，需要设定不同的第一电阻和第二电阻阻值，因而该专利的断路器不灵活，难以推广。申请号为2016100013180的专利的双向传输特性，不仅需要第一电阻和第二电阻，还需要第三电阻和第四电阻。本发明没有采取故障信号的第一电阻和第二电阻，自激式反激变换器直接并联在主开关两端，自激式反激变换器的输入电压范围宽，故障电流在主开关两端产生的压降能迅速启动自激式反激变换器，省掉了配置要求较高的第一电阻和第二电阻，第三电阻和第四电阻，简化了断路器的结构并降低了断路器的制作成本。
3)本发明的每组主开关是由若干个固体开关并联构成，容量比现有的固态断流器的容量大。
4)本发明依靠宽禁带材料自身良好的导热特性和高的击穿场强耗散直流电源和负载断开后回路中剩余的能量，无需像专利US2015/0280417A1和其它形式的断路器需要避雷器等电流转移和能量吸收支路，降低成本的同时提高了断路器的可靠性。
5)本发明采用的自激式反激变换器带载能力强，能驱动多个并联的宽禁带半导体材料制备的固体开关，因而容量能做得很大，满足大功率直流电源供电和配电场合的需求。
6)本发明采用的常通型半导体固体开关，热导率高、击穿场强高的宽禁带半导体材料都能制备，对于不同结构形式和不同宽禁带半导体材料制备的常通型半导体固体开关，仅仅是名称不同，但是配置断路器的方法是一致的，在提高断路器的容量和可靠性、降低断流器的配置要求和成本、简化断流器的结构等方面的效果是相同的。
附图说明
图1为本发明的断路器组成结构。
图2为本发明的直流电源系统的一种结构。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
本发明属于直流电源的供电和配电领域，涉及光伏发电、储能电池、燃料电池和其它的分布式发电等直流电源，涉及舰艇、飞机、通信系统、电动汽车充电站和数据中心等依靠直流电源供电的场合，涉及工业、商业和居民区环境减少AC/DC转换环节、降低成本、提高效率和可靠性等需求。特别地，本发明是用常通型半导体固体开关和自激式反激变换器构成的断路器，无需外电源供电，仅仅依靠故障电路的大电流在开关两端产生的压降驱动自激式反激变换器工作，提高了断路器的可靠性并降低了断路器的成本，具体的是提出一种断路器的新结构及其配置方法。
本方案的一种GaN大电流自供电双向直流固态断路器，包括，两组主开关和其对应的反激变换器，每组主开关和对应的反激变换器并联，每组主开关由若干宽禁带GaN半导体固体开关并联构成，两组主开关之间串联连接。主开关起到传递正常电流和在电路出现故障的情况下断开负载和直流电源的作用，反激变换器依靠故障大电流在主开关两端产生的电压作为输入，并输出关断半导体固体开关的电压。
所述宽禁带GaN半导体固体开关为常通型结构。宽禁带GaN半导体固体开关是由宽禁带半导体材料制作，具有高热导率、高结温、高击穿电场、低导通电阻等特点，能减小主开关正常工作时的传导损耗并减小散热装置的体积。在自然状态下是处于导通的状态，正常传递电流时不需要驱动电压作为额外的驱动信号，可靠性高。并联的宽禁带GaN半导体固体开关性能参数一致，在故障发生时能同步动作，提升断路器的可靠性。宽禁带GaN半导体固体开关为对称结构，具有双向电流传输特性。根据需求进行选择，具体的可以使用宽禁带GaN半导体固体开关为GaN HEMT。
反激变换器是自激式结构。反激变换器的输入电压范围宽、带载能力强。借助变换器本身的正反馈信号和电路内元器件的相互配合实现变换器开关管的周期性工作，没有专门的控制芯片，无需外电源供电。反激变换器是灵敏度很高的自激式反激变换器，在故障发生的初期就能及时采集故障信号，尽快输出电压关断主开关。本方案可以选择输入电压为日常生活中较为常见、范围在50V至450V的自激式反激变换器，输入电压范围较宽，无需额外电源供电，无需配置分压电阻和采样电阻。
主开关和反激变换器的具体的连接关系如下，
若干个并联的宽禁带GaN半导体固体开关按对称结构布置；若干个宽禁带GaN半导体固体开关的驱动电极从它们的对称点中心引出连接线，连接到反激变换器输出端的负极；
反激变换器输出端的正极连接到半导体固体开关阴极的对称点中心；反激变换器输入端的正极连接到宽禁带GaN半导体固体开关阳极的对称点中心；反激变换器输入端的负极连接到宽禁带GaN半导体固体开关阴极的对称点中心；
两组主开关其中一组的宽禁带GaN半导体固体开关的阳极从它们的对称点中心引出连接线，连接到直流电源；宽禁带GaN半导体固体开关的阴极从它们的对称点中心引出连接线，连接到另一组主开关的宽禁带GaN半导体固体开关的阳极，另一组主开关的宽禁带GaN半导体固体开关的阴极与负载连接。
反激变换器输入端的正极和宽禁带GaN半导体固体开关的阳极从它们的对称点之间设置有二极管，二极管正极与宽禁带GaN半导体固体开关的阳极从它们的对称点连接，二极管负极与反激变换器输入端连接。
本方案中的断路器没有电流转移和能量吸收支路，依靠主开关自身耗散负载被切断后回路中的能量。
一种直流电源系统，直流电源系统包括上述所述的GaN大电流自供电直流固态断路器，断路器主开关串联在电源和负载之间，当电路发生故障导致主电路瞬态大电流时，主开关立即动作，将直流电源和负载断开。
负载的一端连接电源的负极，另一端连接断路器其中一个主开关中宽禁带GaN半导体固体开关的阴极对称点中心，电源的正极与断路器另一个主开关中宽禁带GaN半导体固体开关的阳极对称点中心相连。正常状态下主开关在直流电源和负载之间，起到传递电流的功能，故障状态下反激变换器工作驱使主开关断开直流电源和负载，起到保护电源和负载的功能。
具体的工作过程如下，
A.具有大电流传导能力的两组主开关串接在直流电源和负载之间，电路正常工作；
B.当某种原因电路出现故障、导致电路的电流瞬间增加，依靠主开关静态电阻在主开关两端产生一定的压降；
C.其中的一组的自激式反激变换器探测到其对应的主开关两端电压的突然增加，随后立即启动，并输出负电压加在主开关的栅极和源极之间；
D.主开关关断，断开直流电源和负载，切断故障电流；
E.另外的一组主开关的反激变换器，因为二极管的阻断特性，主开关两端的电压无法加到反激变换器的输入端，该反激变换器不工作，对应的主开关处于导通状态；
E.主开关依靠自身良好的散热特性，耗散回路中剩余的能量。
本方案构建的断路器和对应的直流电源系统，可以保证无需额外的附加电源给断路器供电，尤其适合在野外和偏远地区的应用，仅仅由故障电流产生驱动信号，而不是像机械开关和增强型半导体固体开关需要提供额外的附加电源，在减小设备要求、降低成本的同时还能提高断路器的可靠性和灵活性。且容量能做得很大，满足大功率直流电源供电和配电场合的需求。
实施例1
具体的实施方式如下，图1和图2中的断路器由两个单元U1和U2串联构成，Su和Sb分别为两个单元的主开关，都由并联的氮化镓固体开关S1、S2……Sn组成，C1和C2为对应的自激式反激变换器。端点1为Su的漏极对称点，端点2为Su的源极对称点，端点3为Su的栅极对称点，端点4为C1输入端的正极，端点5为C1输入端的负极，端点6为C1输出端的负极，端点7为C1输出端的正极。端点8为Sb的源极对称点，端点9为Sb的漏极对称点，端点10为Sb的栅极对称点，端点11为C2输入端的负极，端点12为C2输入端的正极，端点13为C2输出端的正极，端点14为C2输出端的负极。
针对400 V不间断电源系统(UPS)，负载额定工作电压为180 A，采用常通型氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)做不间断电源系统断路器的主开关S，额定电压为650 V，额定电流为42 A，每组主开关由8只GaN HEMT并联，采用自激式反激变换器C采集故障信号并输出关断主开关的驱动信号。GaN器件承受的电流比SiC器件承受的电流大一些；但是耐压交低，且在装配上SiC器件比GaN器件方便一些；关断GaN器件的负电压比SiC器件要低，针对于高电流的直流系统，可以选择GaN器件作为断路器器件。
不间断电源系统的蓄电池经过双向直流断路器并接到直流上，正常供电时，有交流电源经过整流变换环节调整稳定直流总线的电压，对直流总线上所挂负载供电，此时双向直流断路器给蓄电池供电。宽禁带半导体材料氮化镓制备的HEMT，导通电阻极小，因而主开关Su和Sb的导通损耗也小，主开关Su和Sb两端的压降接近16V，自激式反激变换器C1和C2的输入不足以让转换器工作，变换器没有电压输出，主开关Su和Sb处于导通状态，在直流电源和负载之间传递正常的电流。
当采用UPS供电的负载短路时，电路的电流在极短时间内迅速上升至数千安培，这时主开关Su两端的电压为400 V，变换器C1依靠元器件之间的正反馈在5微秒内输出-5 V电压加在端点3和端点2之间，主开关在15微秒内断开燃料电池和负载，电路电流降为零。主开关Sb因二极管D2的阻挡作用没有电压加在C2的输入端，C2不工作，Sb处于导通状态。
当蓄电池内部因某种因素短路时，电路的电流在极短时间内迅速上升至数千安培，这时主开关Sb两端的电压为400 V，变换器C2依靠元器件之间的正反馈在5微秒内输出-15 V电压加在端点10和端点8之间，主开关在15微秒内断开燃料电池和负载，电路电流降为零。主开关Su因二极管D1的阻挡作用没有电压加在C1的输入端，C1不工作，Su处于导通状态。
电路中因寄生电感而产生的电压加在主开关两端，主开关依靠宽禁带材料在热导率、击穿场强等特性上的优势，耗散掉电路剩余的能量。且采用了双向直流固态断路器可以保证其可靠性，在一个发生故障的时候另一个可以及时断开负载，且两个主开关轮替使用可以保证维修时候的持续性，减少维修的时间。
本方案采用宽禁带半导体材料氮化镓制备的HEMT，可以保证在更高的容量下，通过电路中因寄生电感而产生的电压运用反激变换器驱动开关，对于大功率的直流电源进行开关，断开时间快，速度高，且不需要额外的附加电源，简化了电路结构，成本降低。
以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (9)

1.一种GaN大电流自供电双向直流固态断路器，其特征在于：包括，两组主开关和其对应的反激变换器，每组主开关和对应的反激变换器并联，每组主开关由若干宽禁带GaN半导体固体开关并联构成，两组主开关之间串联连接。
2.根据权利要求1所述的一种GaN大电流自供电双向直流固态断路器，其特征在于：主开关和反激变换器的连接关系如下，
若干个并联的宽禁带GaN半导体固体开关按对称结构布置；若干个宽禁带GaN半导体固体开关的驱动电极从它们的对称点中心引出连接线，连接到反激变换器输出端的负极；
反激变换器输出端的正极连接到半导体固体开关阴极的对称点中心；反激变换器输入端的正极连接到宽禁带GaN半导体固体开关阳极的对称点中心；反激变换器输入端的负极连接到宽禁带GaN半导体固体开关阴极的对称点中心；
两组主开关其中一组的宽禁带GaN半导体固体开关的阳极从它们的对称点中心引出连接线，连接到直流电源；宽禁带GaN半导体固体开关的阴极从它们的对称点中心引出连接线，连接到另一组主开关的宽禁带GaN半导体固体开关的阳极，另一组主开关的宽禁带GaN半导体固体开关的阴极与负载连接。
3.根据权利要求2所述的一种GaN大电流自供电双向直流固态断路器，其特征在于：反激变换器输入端的正极和宽禁带GaN半导体固体开关的阳极从它们的对称点之间设置有二极管，二极管正极与宽禁带GaN半导体固体开关的阳极从它们的对称点连接，二极管负极与反激变换器输入端连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种GaN大电流自供电双向直流固态断路器，其特征在于：所述宽禁带GaN半导体固体开关为常通型结构。
5.根据权利要求4所述的一种GaN大电流自供电双向直流固态断路器，其特征在于：所述宽禁带GaN半导体固体开关为对称结构。
6.根据权利要求1所述的一种GaN大电流自供电双向直流固态断路器，其特征在于：所述的宽禁带GaN半导体固体开关为GaN HEMT。
7.根据权利要求1或2或3所述的一种GaN大电流自供电双向直流固态断路器，其特征在于：反激变换器是自激式结构。
8.一种直流电源系统，其特征在于：直流电源系统包括权利要求1-7任意所述的GaN大电流自供电直流固态断路器，两组主开关串联后连接在直流电源和负载之间。
9.根据权利要求8所述的一种直流电源系统，其特征在于：具体连接方式如下，负载的一端连接电源的负极，另一端连接断路器其中一个主开关中宽禁带GaN半导体固体开关的阴极对称点中心，电源的正极连接断路器另一个主开关中宽禁带GaN半导体固体开关的阳极对称点中心。
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