CN109936352A - 基于igbt的全固态直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全固态直流断路器及其控制方法。全固态直流断路器包括对应连接的驱动控制电路和电力电子电路；驱动控制电路用于向电力电子电路发出控制信号；电力电子电路包括对应连接的双向通流组件和IGBT模块组件；双向通流组件用实现制全固态直流断路器双向通流；IGBT模块组件用于根据控制信号实现全固态直流断路器的导通与断开，以及控制导通时通过全固态直流断路器的电流大小。本发明全固态直流断路器可有效解决本发明断路器关断时产生拉弧，灭弧困难以及现有全固态直流断路器通流能力不强的问题，且本发明全固态直流断路器结构简单，设计紧凑，成本低，便与安装和维护。

Description

基于IGBT的全固态直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于IGBT的全固态直流断路器及其控制方法。

背景技术

随着直流电力系统在高压直流输配电、新能源并网、船舶驱动、轨道交通等领域的应用日益广泛，高压直流断路器作为承载、开断直流电力系统工作电流以及各种故障电流的关键控制和保护设备，国内对其研究越来越多。

现如今的高压直流断路器主要分为机械式高压直流断路器、全固态高压直流断路器和混合式高压直流断路器。现有的机械式高压直流断路器采用机械开关来切断高压直流电流，关断能力高，但是由于直流电不存在自然过零点，因此关断时会产生剧烈拉弧，无法快速关断，同时也会影响其寿命。混合式高压直流断路器结合了机械开关和电力电子器件，具有通态损耗小和无拉弧的优点，但其结构复杂，体积较大，控制困难，同时成本较高。全固态高压直流断路器往往存在工作电流受限，通流能力不强的问题。

为了解决上述技术问题，亟需一种可以有效避免在关闭时产生拉弧，同时通流能力大、结构体积小的直流断路器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有的高压直流断路器无法在有效避免产生拉弧的同时，增大断路器的通流能力，并减小体积。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于IGBT的全固态直流断路器及其控制方法。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于IGBT的全固态直流断路器，包括对应连接的驱动控制电路和电力电子电路；

所述驱动控制电路，用于向所述电力电子电路发出控制信号；

所述电力电子电路包括对应连接的双向通流组件和IGBT模块组件；

所述双向通流组件，用于实现所述全固态直流断路器双向通流；

所述IGBT模块组件，用于根据所述控制信号动作以实现所述全固态直流断路器的导通与断开，以及控制导通时通过所述全固态直流断路器的电流大小。

优选的是，所述IGBT模块组件包括至少两个并联连接的IGBT模块，所述IGBT模块组件通过控制IGBT模块的接通个数来控制通过所述全固态直流断路器的电流大小。

优选的是，所述驱动控制电路的信号输出端通过栅极驱动电阻与所述IGBT模块的栅极连接，所述栅极驱动电阻用于抑制IGBT关断电压尖峰，保护所述IGBT模块不被击穿。

优选的是，所述双向通流组件包括并联连接于主电路上的两对二极管，每对二极管均反向串行连接，所述IGBT模块组件的输入端与输出端分别连接于两对二极管的每对二极管之间；其中，两对二极管的反向连接方式相反，所述主电路两端即为所述全固态直流断路器的两接线端。

优选的是，所述双向通流组件包括两个反向并联连接于主电路上的二极管，每个二极管与一个IGBT模块组件串行连接；其中，所述主电路两端即为所述全固态直流断路器的两接线端。

优选的是，所述双向通流组件以及所述IGBT模块组件均通过叠层母排连接。

优选的是，还包括设置于所述电力电子电路下方的散热器。

优选的是，还包括与所述驱动控制电路连接的检测电路，所述检测电路包括用于检测应用所述全固态直流断路器的应用电路电压和电流的电压传感器和电流传感器、以及用于检测散热器温度的温度传感器。

优选的是，所述IGBT模块型号为6500V/750A。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于IGBT的全固态直流断路器控制方法，包括：

获取应用电路中需检测的电压信号和电流信号，以及基于IGBT的全固态直流断路器的温度信号；

根据所述电压信号、电流信号以及温度信号向全固态直流断路器的电力电子电路发出控制信号；

当控制信号为导通信号时，电力电子电路中的IGBT模块组件导通，电流至少通过IGBT模块组件中的一个IGBT模块流经所述全固态直流断路器；当控制信号为断开信号时，电力电子电路中的IGBT模块组件断开。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明实施例提供的全固态直流断路器基于IGBT模块，IGBT模块使得全固态直流断路器的关断时间短且不会产生拉弧，且该全固态直流断路器包括IGBT模块组件，IGBT模块组件不仅可根据控制信号控制本发明断路器的导通与断开，还可控制通过本发明断路器的电流大小，具体通过控制并联连接的IGBT模块的导通个数来控制通过本发明断路器的电流大小，以解决现有全固态高压直流断路器工作电流受限，通流能力不强的问题；同时由于直流断路器中IGBT器件的开关频率非常低，因此本发明在IGBT器件的栅极串联的栅极驱动电阻既不会对全固态直流断路器产生影响，同时还增加了IGBT模块的开关时间，降低了电流变化率，起到保护IGBT模块的作用。

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特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1示出了本发明实施例一的基于IGBT的全固态直流断路器的结构示意图；

图2示出了本发明实施例一的基于IGBT的全固态直流断路器中的电力电子电路的电路图；

图3示出了本发明实施例一添加栅极驱动电阻前基于IGBT的全固态直流断路器关断时的电压示意图；

图4示出了图3中IGBT模块添加栅极驱动电阻后基于IGBT的全固态直流断路器关断时的电压示意图；

图5示出了本发明实施例二的基于IGBT的全固态直流断路器中的电力电子电路的电路图；

图6出了本发明实施例三的基于IGBT的全固态直流断路器的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

随着直流电力系统的发展，人们对高压直流断路器的要求逐渐提高，现有的高压直流断路器主要分为机械式高压直流断路器、全固态高压直流断路器和混合式高压直流断路器。机械式高压直流断路器采用机械开关来切断高压直流电流，关断电流能力高，但在关断时容易产生剧烈拉弧。混合式高压直流断路器具有通态损耗小和无拉弧的优点，但设备结构复杂，成本较大。而现有的全固态高压直流断路器往往存在工作电流受限，通流能力不强的问题。

实施例一

为解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于IGBT的全固态直流断路器。

图1示出了本发明实施例一的基于IGBT的全固态直流断路器的结构示意图。

参照图1，本实施例基于IGBT的全固态直流断路器包括驱动控制电路1、电力电子电路2、检测电路(未在附图中显示)、叠层母排4和散热器3。

驱动控制电路1与电力电子电路2和检测电路分别连接，驱动控制电路1设置于叠层母排4上方，电力电子电路2和检测电路设置于叠层母排4下方，散热器3设置于电力电子电路2和检测电路的下方。本发明断路器结构简单，设计紧凑，成本低，便与安装和维护。

需要说明的是，上述各电路、叠层母排4和散热器3在不改变连接方式的前提下，还可以采用其他合理的位置设置方式来得到全固态直流断路器，本发明不限于上述设置方式。

检测电路用于对本发明断路器以及与应用本发明断路器的应用电路进行监测。具体地，检测电路包括电压传感器、电流传感器以及温度传感器，电压传感器和电流传感器分别用于检测应用电路中待检测的电压和电流，温度传感器在散热器3上设置有温度探头，用于检测电力电子电路2中电子器件工作时的温度，电压传感器、电流传感器以及温度传感器的设置分别对应用电路和电力电子电路2中的电子器件的温度起到很好的监控作用。由于检测电路为弱电电路，因此将检测电路直接通过导线与驱动控制电路1连接，当检测电路检测完成后，电压传感器、电流传感器以及温度传感器分别将检测到的电压信号、电流信号以及温度信号传输给驱动控制电路1，以便于驱动控制电路1对其进行分析。

驱动控制电路1用于向电力电子电路2发出控制信号，以控制电力电子电路2的导通与断开。具体地，驱动控制电路1接收检测电路检测到的检测信息，并对检测信息进行分析，根据分析结果向电力电子电路2发出对应的导通或断开等控制信号。更进一步的，当驱动控制电路1接收到用户发出的导通信号时，驱动控制电路1向电力电子电路2发出导通信号，电力电子电路2控制本发明断路器导通；当驱动控制电路1分析接收到的电压信号、电流信号和温度信号中的任意一个大于其对应的预设阈值时，驱动控制电路1向电力电子电路2发出断开信号，电力电子电路2控制本发明断路器断开；同时，驱动控制电路1还可在接收到人为控制发出的断开信号时，同样向电力电子电路2发出断开信号，电力电子电路2控制本发明断路器断开。即本发明断路器既可人为控制断开，同时还可在应用电路中相应监测的电压电流过大或本发明断路器电子器件温度过高时自动断开，以避免应用电路出现短路等故障时引起电压或电流过大，从而造成电子器件损坏，或电力电子电路2中的电子器件工作温度过高，引起的电力电子器件烧坏的情况出现，在对应用电路进行保护的同时，进一步延长了本发明断路器的使用寿命。

图2示出了本发明实施例基于IGBT的全固态直流断路器中的电力电子电路2的电路图；参照图2，电力电子电路2包括对应连接的双向通流组件和IGBT模块组件，用于根据驱动控制电路1发出的控制信号控制本发明断路器的导通与断开。

具体地，双向通流组件用于控制全固态直流断路器双向通流，使得本发明断路器可双向通流，便于其在电路中的连接。优选地，双向通流组件包括并联连接于主路上的两对二极管，每对二极管均反向串行连接，且两对二极管的反向连接方式相反。更进一步地，两对二极管分别为二极管D1、二极管D2和二极管D3、二极管D4，二极管D1和D2的反向连接方式为负极相连接，二极管D3和D4的反向连接方式为正极相连接，两对二极管并联连接于主路上。需要说明的是，主路两端即为本发明断路器的两接线端。

IGBT模块组件用于根据控制信号控制全固态直流断路器的导通与断开，以及控制导通时通过全固态直流断路器的电流大小。

优选地，IGBT模块组件的输入端与输出端分别连接于双向通流组件的两对二极管的每对二极管之间。更进一步地，IGBT模块组件的输入端与二极管D1和D2的负极连接，输出端与二极管D3和D4的正极连接，从而使得电流无论从哪边输入本发明断路器，均可从IGBT模块组件的输入端流入IGBT模块组件。优选地，IGBT模块组件包括至少两个并联连接的IGBT模块，IGBT模块组件可通过控制IGBT模块的接通个数来控制通过全固态直流断路器的电流大小。更进一步地，IGBT模块组件包括两个并联连接的IGBT模块T1和T2，IGBT模块T1和T2的栅极均与驱动控制电路1连接，驱动控制电路1通过驱动IGBT模块T1和T2来控制IGBT模块的导通与断开，从而进一步控制本发明断路器的导通与断开。由于单个IGBT模块的工作电流有限，当本发明断路器需要通过较大电流时，单个IGBT模块往往无法满足电流通过要求，本发明IGBT模块组件的设计可有效增大本发明断路器的通流能力。

需要说明的是，双向通流组件和IGBT模块组件均通过叠层母排4连接，即双向通流组件中的各个二极管以及IGBT模块组件中的各个IGBT模块均是通过叠层母排4连接的，采用叠层母排4可优化电力电子电路2的连接效果，并可以降低电路中的杂散电感。

驱动控制电路1与IGBT模块的栅极之间还连接有栅极驱动电阻，该栅极驱动电阻用于对IGBT模块起到保护的作用。更具体地，栅极驱动电阻的设置可使IGBT模块中栅极电容的充放电速度减慢，从而增大IGBT模块的开通和关断时间。由于全固态直流断路器中IGBT模块的开关频率非常低，因此在驱动控制电路1与IGBT模块的栅极之间增加栅极驱动电阻产生的开关损耗对全固态直流断路器几乎没有影响，在此基础上，栅极驱动电阻的设置降低了电流变化率，有效的抑制了由主电路杂散电感产生的电压尖峰，保护IGBT模块不被击穿。为了更进一步的说明栅极驱动电阻的增加对IGBT模块关断电压尖峰的影响，附图3和附图4分别示出了在IGBT模块型号为6500V/750A，栅极驱动电阻处于最佳阻值(即600Ω时)时，IGBT模块添加栅极驱动电阻前后关断电压示意图。由图3和图4可以看出，栅极驱动电阻有效的抑制了由主电路杂散电感产生的电压尖峰。

需要说明的是，栅极驱动电阻不为固定值，栅极驱动电阻需根据IGBT模块型号的不同选取不同阻值的电阻作为栅极驱动电阻。栅极驱动电阻的选取方式为：IGBT模块与不同阻值的电阻连接后对断路器的电压进行检测，当断路器的电压在关断时不出现尖峰、基本趋于稳定时，此时与IGBT模块连接的电阻即可被选取为栅极驱动电阻。还需要说明的是，基于栅极驱动电阻的设置，本发明全固态直流断路器还去掉了现有电路中用于吸收IGBT模块关断时引起的波动电压的RC吸收电路，进一步简化了该全固态直流断路器结构。

应用本发明实施例提供的全固态直流断路器，可有效解决本发明断路器关断时产生拉弧以及灭弧困难的问题，且该本实施例中双向通流组件的设置可使得该全固态直流断路器双向通流，更加便于该本发明断路器在电路中的连接。IGBT模块组件可有效控制全固态直流断路器的导通与断开，同时通过控制IGBT模块的接通个数来控制通过全固态直流断路器的电流大小，以有效解决现有全固态直流断路器通流能力不强，从而影响全固态直流断路器的效果及使用范围的问题。栅极驱动电阻的设置增加了IGBT模块的开关时间，降低了电流变化率，有效的保护IGBT模块不被击穿。且本发明提供的全固态直流断路器结构简单，设计紧凑，成本低，便与安装和维护。

实施例二

本实施例是在实施例一的基础上，对实施例一中的双向通流组件提供另外一种实施方式。

图5示出了本发明实施例二的基于IGBT的全固态直流断路器中的电力电子电路2的电路图；参照图5，电力电子电路2包括对应连接的双向通流组件和IGBT模块组件。

具体地，双向通流组件包括两个反向并联连接于主路上的二极管，且每个二极管均与一个IGBT模块组件串行连接。IGBT模块组件包括至少两个并联连接的IGBT模块。更进一步地，双向通流组件包括二极管D5和二极管D6，二极管D5和二极管D6并联连接于主路上。二极管D5和二极管D6可以有效控制该本发明断路器双向均可通流。IGBT模块组件均包括两个并联连接的IGBT模块，即IGBT模块T3和T4以及IGBT模块T5和T6，IGBT模块T3和T4以及IGBT模块T5和T6的栅极均与驱动控制电路1连接，驱动控制电路1通过驱动IGBT模块T3-T6来控制IGBT模块的导通与断开，从而进一步控制本发明断路器的导通与断开。由于单个IGBT模块的工作电流有限，当本发明断路器需要通过较大电流时，单个IGBT模块往往无法满足电流通过要求，此时通过在原IGBT模块的基础上增加并联的IGBT模块个数，可有效增大本发明断路器的通流能力。

双向通流组件和IGBT模块组件内部电子元器件的连接方式与实施例一相同，即均通过叠层母排4连接。同时上述电力电子电路2的作用也与实施例一相同，在此均不再对其进行详细说明。

应用本发明实施例提供的全固态直流断路器，可有效解决本发明断路器关断时产生拉弧以及灭弧困难的问题，且该本实施例中双向通流组件的设置可使得该全固态直流断路器双向通流，更加便于该本发明断路器在电路中的连接。IGBT模块组件可有效控制全固态直流断路器的导通与断开，同时通过控制IGBT模块的接通个数来控制通过全固态直流断路器的电流大小，以有效解决现有全固态直流断路器通流能力不强，从而影响全固态直流断路器的效果及使用范围的问题。栅极驱动电阻的设置增加了IGBT模块的开关时间，降低了电流变化率，有效的保护IGBT模块不被击穿。且本发明提供的全固态直流断路器结构简单，设计紧凑，成本低，便与安装和维护。

实施例三

本发明实施例还提供实施例一或者实施例二所述的基于IGBT的全固态直流断路器的控制方法。

图6出了本发明实施例三的基于IGBT的全固态直流断路器的控制方法的流程示意图。

参照图6，本实施例基于IGBT的全固态直流断路器的控制方法，该方法应用于上述实施例一或者实施例二所述的基于IGBT的全固态直流断路器上，包括：

步骤S301，获取应用电路中需检测的电压信号和电流信号，以及基于IGBT的全固态直流断路器的温度信号。

具体地，通过检测电路对应用电路中待检测的电压和电流以及本发明中电力电子电路2中的电子器件工作时的温度进行检测，并将检测到的电压信号、电流信号和温度信号发送给驱动控制电路1。

步骤S302，根据所述电压信号、电流信号以及温度信号向电力电子电路2发出控制信号。

具体地，驱动控制电路1对接受到的电压信号、电流信号以及温度信号进行分析，根据分析结果对向电力电子电路2发出控制信号。更进一步地，当驱动控制电路1接收到导通信号时，驱动控制电路1向电力电子电路2发出导通信号；当驱动控制电路1分析接收到的电压信号、电流信号和温度信号中的任意一个大于其对应的预设阈值时，驱动控制电路1向电力电子电路2发出断开信号。同时，驱动控制电路1还可在接收到人为控制发出的断开信号时，同样向电力电子电路2发出断开信号。即本发明断路器既可人为控制断开，同时还可在应用电路中相应监测的电压电流过大或本发明断路器电子器件温度过高时自动断开。

步骤S303，判断信号是否为导通信号，若是导入步骤S304，若否导入步骤S305。

其中，步骤S304为：当控制信号为导通信号时，电力电子电路2中的IGBT模块组件导通，电流至少通过一个IGBT模块流经全固态直流断路器；步骤S305为：当控制信号为断开信号时，电力电子电路2中的IGBT模块组件断开。

具体地，电力电子电路2与驱动控制电路1对应连接，用于根据驱动控制系统的控制信号控制断路器的导通与断开。当电力电子电路2收到的控制信号为导通信号时，电力电子电路2中的IGBT模块组件导通，电流至少通过一个IGBT模块流经全固态直流断路器；当电力电子电路2收到的控制信号为断开信号时，电力电子电路2中的IGBT模块组件断开。需要说明的是，当控制信号为导通时，控制信号还包括导通IGBT模块组件中几个IGBT模块的信号，以便于当本发明断路器需要通过较大电流时，有效增大本发明断路器的通流能力。

上述各步骤中的驱动控制电路1、电力电子电路2以及检测电路的具体结构以及操作方式均可参见实施例一，在此不再对其详细赘述。

应用本发明实施例提供的全固态直流断路器，可有效解决本发明断路器关断时产生拉弧，灭弧困难的问题，且该全固态直流断路器双向通流组件的设置可使得该全固态直流断路器双向通流，更加便于该本发明断路器在电路中的连接。IGBT模块组件可有效控制全固态直流断路器的导通与断开，同时通过控制IGBT模块的接通个数来控制通过全固态直流断路器的电流大小，以有效解决现有全固态直流断路器通流能力不强，从而影响全固态直流断路器的效果及使用范围。栅极驱动电阻的设置增加了IGBT模块的开关时间，降低了电流变化率，有效的保护IGBT模块不被击穿。且本发明提供的全固态直流断路器结构简单，设计紧凑，成本低，便与安装和维护。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于IGBT的全固态直流断路器，其特征为，包括对应连接的驱动控制电路和电力电子电路；

所述驱动控制电路，用于向所述电力电子电路发出控制信号；

所述电力电子电路包括对应连接的双向通流组件和IGBT模块组件；

所述双向通流组件，用于实现所述全固态直流断路器的双向通流；

所述IGBT模块组件，用于根据所述控制信号动作以实现所述全固态直流断路器的导通与断开，以及控制导通时通过所述全固态直流断路器的电流大小。

2.根据权利要求1所述基于IGBT的全固态直流断路器，其特征为，所述IGBT模块组件包括至少两个并联连接的IGBT模块，所述IGBT模块组件通过控制IGBT模块的接通个数来控制通过所述全固态直流断路器的电流大小。

3.根据权利要求2所述基于IGBT的全固态直流断路器，其特征为，所述驱动控制电路的信号输出端通过栅极驱动电阻与所述IGBT模块的栅极连接，所述栅极驱动电阻用于抑制IGBT模块的关断电压尖峰，以保护所述IGBT模块不被击穿。

4.根据权利要求1-3中任一项所述基于IGBT的全固态直流断路器，其特征为，所述双向通流组件包括并联连接于主电路上的两对二极管，每对二极管均反向串行连接，所述IGBT模块组件的输入端与输出端分别连接于两对二极管的每对二极管之间；其中，两对二极管的反向连接方式相反，所述主电路两端为所述全固态直流断路器的两接线端。

5.根据权利要求1-3中任一项所述基于IGBT的全固态直流断路器，其特征为，所述双向通流组件包括两个反向并联连接于主电路上的二极管，每个二极管与一个IGBT模块组件串行连接；其中，所述主电路两端为所述全固态直流断路器的两接线端。

6.根据权利要求4或5所述基于IGBT的全固态直流断路器，其特征为，所述双向通流组件以及所述IGBT模块组件均通过叠层母排连接。

7.根据权利要求1所述基于IGBT的全固态直流断路器，其特征为，还包括设置于所述电力电子电路下方的散热器。

8.根据权利要求7所述基于IGBT的全固态直流断路器，其特征为，还包括与所述驱动控制电路连接的检测电路，所述检测电路包括用于检测应用所述全固态直流断路器的应用电路电压和电流的电压传感器和电流传感器、以及用于检测散热器温度的温度传感器。

9.根据权利要求1-8中任一项所述基于IGBT的全固态直流断路器，其特征为，所述IGBT模块型号为6500V/750A。

10.一种如权利要求1所述基于IGBT的全固态直流断路器的控制方法，其特征为，包括：

获取应用电路中需检测的电压信号和电流信号，以及基于IGBT的全固态直流断路器的温度信号；

根据所述电压信号、电流信号以及温度信号向全固态直流断路器的电力电子电路发出控制信号；

当控制信号为导通信号时，电力电子电路中的IGBT模块组件导通，电流至少通过IGBT模块组件中的一个IGBT模块流经所述全固态直流断路器；当控制信号为断开信号时，电力电子电路中的IGBT模块组件断开。