CN110061726A - 基于SiC JFET的串联型直流保护开关 - Google Patents

基于SiC JFET的串联型直流保护开关 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于SiC JFET的串联型直流保护开关，属于直流保护开关技术领域。包括主开关模块、采样模块、单片机控制模块、光耦隔离模块和驱动模块。通过在接入直流电路的主开关模块中串联若干宽禁带半导体器件SiC JFET，并将采样模块并联在主开关模块的两端进行信号采样，同时与光耦隔离模块、单片机控制模块配合连接；单片机控制模块的输出端连接驱动模块，在驱动模块中仅设置一个驱动电路，且与主开关模块链接，驱动整个串联的SiC JFET的通断并实现静态或动态均压。本发明解决现有技术中驱动电路复杂的问题，实现系统正常运行时的静态均压、投切负载与切除故障过程中的动态均压以及能够快速可控可靠的故障隔离。

Description

基于SiC JFET的串联型直流保护开关
技术领域
本发明属于直流保护开关技术领域，特别是涉及一种基于SiC JFET的串联型直流保护开关。
背景技术
随着全球经济的高速发展，分布式能源系统因其供电可靠高、输电损耗小、灵活的负荷变动以及易于可再生能源应用等特点已成为解决电力不足和环境问题的重要手段。现有研究表明，直流配电网具有电能质量高，电能损耗较低，运行成本较低，电力电子转换步骤较少等优势，且便于分布式能源系统接入大电网中，使分布式能源的效益充分发挥。现直流配电技术虽已在大型数据中心、地铁牵引系统、空间站、船舶系统等领域成功应用，但直流配电网络系统的应用仍处于探索阶段。要实现直流配电网的工程应用，还需要解决直流配电网的一系列关键技术问题，主要包括直流关键设备开发、直流配电网规划设计、调度控制、安全运行维护、保护策略研究等，而直流断路器的研制即是直流关键设备开发关键技术的重要一环。
近年来随着宽禁带半导体器件的飞速发展，以碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)为代表的宽禁带半导体器件得到了科学界广泛关注和深入研究。宽禁带半导体器件具有工作电压高、功率密度大、开关损耗低、动作速度快等优点，若在直流固态保护开关中充分发挥宽禁带半导体器件的优势，将为解决基于硅功率器件的直流固态保护开关存在的反应速度慢、通态损耗高、系统设计复杂等问题提供行之有效的途径。受目前的制造工艺所限，常用的功率器件单管耐压值较低，且随着耐压值的增大价格更加昂贵，因此，在实际应用中，为了使直流断路器应用于更高电压的场合，通常将其主开关功率半导体器件进行串联扩容，提高其整体耐压能力，可适用于现阶段更高电压等级的直流系统应用场景。
串联功率器件均压可以分为静态均压和动态均压。对于阻断状态下的静态电压分配不均，可以通过在SiC JFET的漏源极并联静态均压电阻的方式加以改善。一般来说静态均压电阻取值越小，均压效果越好，但是流过均压电阻的电流越大，使得电阻损耗越大，因此均压电阻取值时需要综合考虑均压效果和损耗，工程中通常取器件最小断态电阻Roff的1/10-1/100。此外，要求静态均压电阻之间的误差尽量小。
由于功率器件的开关过程很短暂，而在暂态过程中保证动态均衡是很困难的，因此暂态均压是功率器件串联的关键所在。目前来说，要实现串联功率器件的动态均压主要是通过外加电路，然而现有的串联均压方式虽然各有其优势，但均存在共同的缺陷，即不论多少器件串联都需要相应个数的外部驱动，这使得串联电路的驱动电路非常复杂，既要保持外部驱动信号基本一致，又要实现可靠的隔离。
因此，亟需一种基于SiC JFET的串联型直流保护开关，解决现有技术中驱动电路复杂的问题，实现系统正常运行时的静态均压、投切负载与切除故障过程中的动态均压以及能够快速可控可靠的故障隔离。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于SiC JFET的串联型直流保护开关，以实现系统正常运行时的静态均压、投切负载与切除故障过程中的动态均压以及能够快速可控可靠的故障隔离。
本发明所采用的技术方案是，提供了一种基于SiC JFET的串联型直流保护开关，包括：主开关模块、采样模块、光耦隔离模块、单片机控制模块和驱动模块；所述采样模块一端连接在所述主开关模块的P端，另一端连接所述主开关模块的N端，所述采样模块的输出端连接所述光耦隔离模块的输入端；所述光耦隔离模块的输出端连接单片机控制模块的输入端，所述单片机控制模块的输出端连接所述驱动模块，所述驱动模块与所述主开关控制模块连接；
所述主开关模块的结型场效应管J1、J2和J3串联在直流电路中，所述结型场效应管J3的漏极连接所述主开关模块的P端，结型场效应管J1的源极连接所述主开关模块的N端；所述结型场效应管J1、J2和J3分别与对应的瞬态抑制二级管Z1、Z2和Z3并联，所述瞬态抑制二极管Z1、Z2和Z3依次串联且连接于直流电路正负极之间；所述结型场效应管J1、J2和J3分别并联对应的三个RCD缓冲电路，所述三个RCD缓冲电路串联在直流电路的正负极之间；
所述结型场效应管J1的G端连接栅极电阻Rg1，所述栅极电阻Rg1的一端连接二极管ZD1阳极，所述二级管ZD1的阴极连接直流电源的负极；所述结型场效应管J2的G端经栅极电阻Rg2连接电容Cg1的一端，所述电容Cg1的另一端连接直流电源的负极，所述结型场效应管J2的G端同时连接二极管ZD2的阳极，所述二级管ZD2的阴极连接瞬态抑制二极管Z1、Z2的连接处；所述二极管ZD2的阴极同时与结型场效应管J2的S端、结型场效应管J1的D端连接；所述结型场效应管J3的G端经栅极电阻Rg3连接电容Cg2的一端，所述电容Cg2的另一端连接直流电源的负极，所述结型场效应管J3的G端同时连接二极管ZD3的阳极，所述二极管ZD3的阴极连接瞬态抑制二极管Z2、Z3的连接处；所述二极管ZD3的阴极同时与结型场效应管J3的S端、结型场效应管J2的D端连接。
进一步地，所述RCD缓冲电路包括二极管DDS、电容CDS和电阻RDS；所述电容CDS与电阻RDS并联后再与二极管DDS串联，所述RCD缓冲电路与对应的金属氧化物压敏电阻MOV并联；所述二级管DDS的阳极连接所述金属氧化物压敏电阻MOV。
进一步地，所述驱动模块的驱动电路中，电容C5一端连接VCC1，另一端接地；上拉电阻R5的一端连接VCC1，另一端连接三极管Q3、Q4的基极并与单片机控制模块的输出端相连，且三极管Q3、Q4的基极均经滤波电容C4接地；三极管Q3的发射极连接三极管Q4的集电极，且三极管Q3的发射极和三极管Q4的集电极均连接MOSFET Q2的栅极，三级管Q3的集电极经电阻R6连接VCC1，三极管Q4的发射极经电阻R7接地；MOSFET Q2的源极接地，MOSFET Q2的漏极经与其串联的DC/DC变换器原边绕组L1连接VCC1；
所述DC/DC变换器原边绕组L1与DC/DC变换器副边绕组L2、L3配合设置；所述DC/DC变换器副边绕组L3与二极管D3、电阻RL3、输出电容C3串联构成正激电路；所述二级管D3的阳极与DC/DC变换器副边绕组L3的一端连接，二极管D3的阴极经电阻RL3连接输出电容C3的正极，DC/DC变换器副边绕组L3的另一端连接输出电容C3的负极；所述DC/DC变换器副边绕组L2与二极管D2、输出电容C3串联构成反激电路；所述二极管D2的阳极与DC/DC变换器副边绕组L2的一端连接，二级管D2的阴极连接输出电容C3的正极，输出电容C3的负极与DC/DC变换器副边绕组L2的另一端相连；稳压二极管D4的阳极连接输出电容C3的负极，稳压二级管D4的阴极连接输出电容C3的正极；电阻R4与稳压二极管D4并联且R4的两端分别连接主开关模块中对应Rg1的A端和二极管ZD1的阴极B端。
进一步地，所述采样模块中的电阻R1的一端分别连接所述主开关模块的P端，另一端连接所述光耦隔离模块的输入端；稳压二极管D1的阴极连接所述光耦隔离模块的输入端，阳极连接所述主开关模块的N端；电阻R2一端连接所述主开关模块的P端，另一端经电容C1连接所述光耦隔离模块的输入端；电容C2一端连接所述光耦隔离模块的输入端，另一端与稳压二极管D1的阳极相连。
进一步地，所述单片机控制模块中单片机的型号为STM8S105。
进一步地，所述光耦隔离模块中的光电耦合器的型号为HCNR201。
进一步地，所述主开关模块中串联的场效应管J1、J2和J3的型号均为UJN1205K。
本发明的有益效果是：
1.本发明采用宽禁带半导体SiC JFET串联方案，提高直流保护开关的电压等级，能够适用于更高电压等级的直流系统。
2.本发明针对宽禁带半导体器件SiC JFET在串联的均压问题，提出一种用于常通型SiC JFET器件串联的单栅极驱动串联均压电路，实现系统正常运行时的静态均压、投切负载与切除故障过程中的动态均压。
3.当直流系统正常运行时，本发明能够安全稳定运行，相当于一根导线；当直流系统进行投切负载时，本发明不会因电流突变而引起误动作，实现电流平滑过渡；当直流系统发生短路或过载故障时，可实现快速可控可靠的故障隔离。
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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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是基于SiC JFET串联型直流固态断路器拓扑结构图。
图2是DC/DC变换器驱动模块拓扑结构图。
图3是单栅极驱动串联均压型主开关模块拓扑结构图。
图4是串联SiC JFET关断过程理论分析波形图。
图5是串联SiC JFET开通过程理论分析波形图。
图6是故障情况下串联型固态断路器驱动电压波形图。
图7是故障情况下串联型固态断路器动静态均压波形图。
图中，1.主开关模块，2.采样模块，3.光耦阻隔模块，4.单片机控制模块，5.驱动模块。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。
1、选择常通型SiC JFET串联作为主开关模块，提出超快速反应的基于SiC JFET串联型的直流保护断路器拓扑结构，用于快速可靠切断故障电路。具体包括：主开关模块1、采样模块2、光耦隔离模块3、单片机控制模块4和驱动模块5；采样模块2一端连接在主开关模块1的P端，另一端连接主开关模块1的N端，采样模块2的输出端连接光耦隔离模块3的输入端；光耦隔离模块3的输出端连接单片机控制模块4的输入端，单片机控制模块4的输出端连接驱动模块5，驱动模块5与主开关控制模块1连接；
主开关模块1的结型场效应管J1、J2和J3串联在直流电路中，结型场效应管J3的漏极连接主开关模块1的P端，结型场效应管J1的源极连接主开关模块1的N端；结型场效应管J1、J2和J3分别与对应的瞬态抑制二级管Z1、Z2和Z3并联，瞬态抑制二极管Z1、Z2和Z3依次串联且连接于直流电路正负极之间；结型场效应管J1、J2和J3分别并联对应的三个RCD缓冲电路，三个RCD缓冲电路串联在直流电路的正负极之间；
结型场效应管J1的G端连接栅极电阻Rg1，栅极电阻Rg1的一端连接二极管ZD1阳极，二级管ZD1的阴极连接直流电源的负极；结型场效应管J2的G端经栅极电阻Rg2连接电容Cg1的一端，电容Cg1的另一端连接直流电源的负极，结型场效应管J2的G端同时连接二极管ZD2的阳极，二级管ZD2的阴极连接瞬态抑制二极管Z1、Z2的连接处；二极管ZD2的阴极同时与结型场效应管J2的S端、结型场效应管J1的D端连接；结型场效应管J3的G端经栅极电阻Rg3连接电容Cg2的一端，电容Cg2的另一端连接直流电源的负极，结型场效应管J3的G端同时连接二极管ZD3的阳极，二极管ZD3的阴极连接瞬态抑制二极管Z2、Z3的连接处；二极管ZD3的阴极同时与结型场效应管J3的S端、结型场效应管J2的D端连接。
RCD缓冲电路包括二极管DDS、电容CDS和电阻RDS；电容CDS与电阻RDS并联后再与二极管DDS串联，RCD缓冲电路与对应的金属氧化物压敏电阻MOV并联；二级管DDS的阳极连接金属氧化物压敏电阻MOV。
驱动模块5的驱动电路中，电容C5一端连接VCC1，另一端接地；上拉电阻R5的一端连接VCC1，另一端连接三极管Q3、Q4的基极并与单片机控制模块4的输出端相连，且三极管Q3、Q4的基极均经滤波电容C4接地；三极管Q3的发射极连接三极管Q4的集电极，且三极管Q3的发射极和三极管Q4的集电极均连接MOSFET Q2的栅极，三级管Q3的集电极经电阻R6连接VCC1，三极管Q4的发射极经电阻R7接地；MOSFET Q2的源极接地，MOSFET Q2的漏极经与其串联的DC/DC变换器原边绕组L1连接VCC1；
DC/DC变换器原边绕组L1与DC/DC变换器副边绕组L2、L3配合设置；DC/DC变换器副边绕组L3与二极管D3、电阻RL3、输出电容C3串联构成正激电路；二级管D3的阳极与DC/DC变换器副边绕组L3的一端连接，二极管D3的阴极经电阻RL3连接输出电容C3的正极，DC/DC变换器副边绕组L3的另一端连接输出电容C3的负极；DC/DC变换器副边绕组L2与二极管D2、输出电容C3串联构成反激电路；二极管D2的阳极与DC/DC变换器副边绕组L2的一端连接，二级管D2的阴极连接输出电容C3的正极，输出电容C3的负极与DC/DC变换器副边绕组L2的另一端相连；稳压二极管D4的阳极连接输出电容C3的负极，稳压二级管D4的阴极连接输出电容C3的正极；电阻R4与稳压二极管D4并联且R4的两端分别连接主开关模块(1)中对应Rg1的A端和二极管ZD1的阴极B端。
采样模块2中的电阻R1的一端分别连接主开关模块1的P端，另一端连接光耦隔离模块4的输入端；稳压二极管D1的阴极连接光耦隔离模块3的输入端，阳极连接主开关模块1的N端；电阻R2一端连接主开关模块1的P端，另一端经电容C1连接光耦隔离模块3的输入端；电容C2一端连接光耦隔离模块3的输入端，另一端与稳压二极管D1的阳极相连。
单片机控制模块4中单片机的型号为STM8S105。
光耦隔离模块3中的光电耦合器的型号为HCNR201。
主开关模块1中串联的结型场效应管J1、J2和J3的型号均为UJN1205K。
宽禁带半导体器件SiC JFET具有耐高压、导通电阻低、开关频率高、动作速度快、热稳定性高等优点。本发明主开关使用的SiC JFET是常通型器件，在直流系统正常运行的情况下，处于导通状态，其栅源极不需要偏置电压来维持其额定导通，增加了保护系统的可靠性。采用USCi公司研制的一款额定电压1200V、额定电流38A的常通型压控SiC JFET(UJN1205K)器件，具有低导电和开关损耗，在栅源极不给偏置电压时，具有45mΩ的极低通态电阻，在栅源负偏15V关断情况下，承受电压可达到1420V。
完整的电路拓扑结构如图1和图3所示，主要包括主开关模块1、采样模块2、光耦隔离模块3，单片机控制模块4及驱动模块5等部分，采样模块2的两端分别连接在主开关模块1中串联SiC JFET的P端和N端(P端与场效应管J3的漏极连接，N端与场效应管J1的源极连接)，采样主开关模块1的电压信号，采样模块2的输出端连接光耦隔离模块3的输入端；光耦隔离模块3的输出端连接在单片机控制模块4的输入端PB6，采样信号经过光耦隔离模块3传到单片机控制模块4内部，单片机控制模块4的输出端PD2连接驱动模块5，驱动信号经过驱动模块5控制主开关模块1中SiC JFET的通断。
具体工作流程如下：
第一步：将串联SiC JFET、单驱动及均压电路作为主开关模块1串入直流系统，当系统正常运行时，由于SiC JFET具有低通态电阻特性，其作用相当于一根导线，系统电流从SiC JFET的漏极(D)流向源极(S)，并在漏源极两端产生一个压降；当系统发生故障，无论是短路故障还是过载故障，整个直流系统的电流会发生改变，继而流过主开关模块1中SiCJFET的电流也会发生变化，在极短时间内，SiC JFET的内部通态电阻为一定值，从而漏源两端的电压值也随之发生改变。
第二步：采样模块2进行故障采样。采样模块2通过采集主开关模块1中P、N两端的电压值作为传输到单片机控制模块4的采样信号。当直流系统中发生故障时，首先要保证故障采样的快速可靠性，然后才能为后面的保护判断提供准确依据。无论直流系统是否发生故障，采样模块2一直在进行电压值的采样工作。SiC JFET在正常导通时，器件内部有一个通态电阻。当直流系统中发生故障时，会产生一个很大的故障电流流过串联SiC JFET，短时间内，通态电阻几乎没有发生变化，由U＝IR可知，漏源两端的压降与系统故障电流的关系是呈线性的，SiC JFET漏源两端电压值会随着故障电流的变化而变化，所以主开关模块1中串联SiC JFET的P、N两端的压降能够间接反应故障电流的大小。采样模块2将采集到的P、N两端压降值经过光耦隔离模块3传输到单片机控制模块4。因此，无需增加其他的故障电流检测电路，不会产生额外的采样损耗，使得采样更加快速简单。
第三步：单片机控制模块4对采样信号进行处理。采样信号传输到单片机控制模块4后，通过单片机程序判断故障类型并选择保护动作方式，快速发出驱动信号。当直流系统发生故障时，采样模块2采样主开关模块1中串联SiC JFET的P、N两端的电压，并传输到单片机控制模块4处理。
单片机控制模块4首先判断采样信号值是否超过内部程序预设的短路阈值，若超过则直接发送PWM驱动信号，驱动信号经过三极管Q3与Q4控制DC/DC变换器中MOSFET Q2的导通和关断，DC/DC变换器开始工作并给SiC JFET提供一个稳定的反向偏置电压，以确保固态保护开关可靠的切除短路故障电流；
采样信号值若未超过短路阈值且大于SiC JFET过载阈值，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的漏源两端电压低于激活阈值电压，固态保护开关则被重置，系统恢复正常运行。
第四步：驱动模块控制SiC JFET的关断。如图2所示，单片机控制模块4发出驱动信号后，控制与DC/DC变换器原边串联的MOSFET Q2的开通关断。当MOSFET Q2开通后，变换器的原边绕组L1两端的电压为上正下负，与其耦合的绕组L3两端的电压则为下正上负，并向电容C3充电，使栅极偏置电压达到-15V；当MOSFET Q2关断后，储存在绕组L2里的能量维持电容C3两端的电压值，维持栅源极两端的电压为-15V，整个过程都维持SiC JFET的栅极偏置电压恒定为-15V，保证SiC JFET彻底关断，直至直流系统故障被完全切除。
2、提出一种用于常通型SiC JFET器件串联的单栅极驱动串联均压电路。该电路只需给最下管SiC JFET提供外部驱动控制其导通关断，从而控制其它串联器件的导通关断，无需其他驱动电路辅助电源，并通过瞬态二极管TVS与RCD电路组合的均压电路，具有良好的动静态均压效果。
图3所示为主开关模块中SiC JFET的单栅极驱动串联均压电路。三个SiC JFET(J1,J2,J3)串联连接，每个器件J1，J2和J3具有相应的RCD缓冲电路，用于平衡串联器件的动态电压，瞬态抑制二极管Z1，Z2和Z3则用来实现串联器件的静态均压。整个驱动电路中只需要向器件J1提供驱动信号即可控制三个串联连接器件的开通和关断，Rg1是J1的栅极电阻，Rg2为J2的栅极电阻，Rg3为J3的栅极电阻，Cg1、Cg2用来给J2、J3提供栅极驱动电荷，ZD1，ZD2和ZD3用于维持J1，J2和J3的栅源极关断电压，MOV1、MOV2和MOV3是金属氧化物压敏电阻，用于吸收器件断开后电路中的过电压。
下面主要从串联连接的SiC JFET的关断和导通过程来分析该串联均压电路的工作原理。
(1)串联SiC JFET电路关断过程分析
单驱动三管串联电路关断过程理论分析波形如图4所示。此时，假设电路中的初始条件为
式中，VGS-J1，VGS-J2和VGS-J3分别为SiC JFET器件J1，J2和J3的栅极电压。ID-J1，ID-J2和ID-J3分别为SiC器件J1，J2和J3的漏源极电流。VDS-J1，VDS-J2和VDS-J3分别为SiC器件J1，J2和J3的漏源极电压。Io为系统稳态时直流负荷的运行电流。
第一阶段[t0-t1]：当断路器判断系统发生短路故障后，控制电路发出驱动信号，使驱动电路产生负偏电压-VG加在最下管J1的栅源极上。栅极电压VGS-J1从零开始下降，到t1时刻，VGS-J1(t1)＝VGC，这一阶段ID-J2，ID-J3，VDS-J1，VDS-J2和VDS-J3几乎不变，器件J1的漏极电流ID-J1略有减小。此阶段无器件关断，断路器仍处于导通状态。
第二阶段[t1-t2]：在t1时刻，当电压VGS-J1下降至VGC时，器件J1进入饱和区开始关断，ID-J1开始减小，VDS-J1则逐渐增大，ID-J2在串联作用下也开始逐渐减小，VGS-J2会进一步减小。此阶段，器件J1开始关断，J2和J3仍未开始关断，但是随着VDS-J1的增大，器件J2栅极电路中电容Cgs2通过Rg2以及Cg1加速放电，VGS-J2加速下降。
第三阶段[t2-t3]：t2时刻，当VGS-J2下降至VGC时器件J2同样进入饱和区开始关断，ID-J2继续减小，漏源极电压VGS-J2会进一步增大，ID-J3在串联作用下开始逐渐减小，VGS-J2会进一步减小。此阶段，器件J2开始关断，J3仍未开始关断，但是随着VDS-J2的增大，器件J3栅极电路中电容Cgs3通过Rg3以及Cg2加速放电，VGS-J3加速下降。
第四阶段[t3-t4]：t3时刻，当VGS-J3下降至VGC时器件J3进入饱和区则开始关断，ID-J3逐渐减小。且器件J3的漏源极电压VGS-J3会进一步增大，器件J1，J2和J3的栅极电压VGS-J1，VGS-J2和VGS-J3逐渐减小，各个器件的漏极电流ID-J1，ID-J2和ID-J3在串联作用下在原有基础上逐渐减小，且各个器件的漏源极电压VDS-J1，VDS-J2和VDS-J3逐渐增大。此阶段中，三管均处于关断过程，到t4时ID-J1，ID-J2和ID-J3基本降为零(存在一定的漏电流)，认为此时故障电流被切断。
第五阶段[t4-t5]：此阶段，VDS-J1，VDS-J2和VDS-J3继续增加，且栅极电压VGS-J1，VGS-J2和VGS-J3将继续进一步下降至关断偏置电压-VG。t5时刻，三个器件都进入截止区，串联器件的关断过程完全结束。此时三个串联器件的漏源极电压VDS-J1，VDS-J2和VDS-J3在Z1，Z2和Z3的作用下均约为三分之一直流母线电压。
(2)串联SiC JFET电路开通过程分析
单驱动三管串联电路开通过程理论分析波形如图5所示。此时，假设电路中的初始条件为
式中，VGS-J1，VGS-J2和VGS-J3分别为SiC JFET器件J1，J2和J3的栅极电压。ID-J1，ID-J2和ID-J3分别为SiC器件J1，J2和J3的漏源极电流。VDS-J1，VDS-J2和VDS-J3分别为SiC器件J1，J2和J3的漏源极电压。VG为驱动负偏电压值，Vbus为母线电压值。
第一阶段[t6-t7]：当系统中故障清除后，断路器恢复正常运行，驱动信号从-VG调至零，使SiC JFET恢复导通。t6时VGS-J1从-VG开始上升，到t7时刻，VGS-J1(t1)等于SiC JFET的开启电压VG(th)。这一阶段所有器件仍处于关断状态。
第二阶段[t7-t8]：由于在串联SiC JFET结构中，器件J2和J3仍处于关断状态，因此漏电流ID-J2，ID-J3维持初始状态不变且会限制漏电流ID-J1的增大。但随着器件J1进入饱和区，J2栅极电路中电容Cgs2通过其栅极电阻Rg2以及电容Cg1充电，VGS-J2会在此电流作用下从-VG开始逐渐上升。
第三阶段[t8-t9]：t8时刻，器件J2的栅极电压VGS-J2达到开启电压VG(th)，器件J2进入饱和区。J3仍处于关断状态，ID-J3维持初始状态不变且会限制漏电流ID-J2的增大。随着器件J2进入饱和区，J3栅极电路中电容Cgs3通过其栅极电阻Rg3以及电容Cg2充电，VGS-J3会在此电流作用下从-VG开始逐渐上升。
第四阶段[t9-t10]：t9时刻后，VGS-J1，VGS-J2和VGS-J3陆续上升至VGC时，器件J1，J2和J3进入米勒平台时期，VGS-J1，VGS-J2和VGS-J3上升速度减缓几乎不变，形成近似平台的波形。而ID-J1，ID-J2和ID-J3陆续开始上升，至t10时刻均上升至稳态电流Io，且VDS-J1，VDS-J2和VDS-J3陆续开始减小至各器件的导通压降。此阶段中，三管均处于开通过程，到t10时认为系统恢复正常运行。
第五阶段[t10-t11]：此阶段栅极电压VGS-J1，VGS-J2和VGS-J3将继续进一步上升至零。到t11时刻，串联器件的导通过程完全结束。
3、搭建直流配电网故障保护实验平台，验证本设计研究成果的有效性。为了验证串联型直流固态断路器对于故障的响应性能及SiC JFET串联均压效果，研制了基于SiCJFET串联型直流断路器样机，并搭建了直流故障实验平台。开关S与固态断路器及故障电阻相连，通过控制开关S来模拟短路与过载故障，依靠直流断路器的快速保护机制来验证其快速有效、切除故障的响应性能及单驱动串联均压效果。
图6所示故障情况下串联型固态断路器驱动电压波形，横轴时间为40μs每格，VGS1、VGS2、VGS3分别为J1、J2、J3的栅源极电压，IR为流过故障电阻上的电流。IR波形为每格20A，可以看到总电流约为48A，在约为10μs处开始下降，在约为50μs处降到足够小认为故障电流被切除。VGS1、VGS2、VGS3波形为每格5V，VGS1直接受外部驱动控制，以最快的速度降到-15V，驱动J1关断，在单驱动串联电路的作用下，VGS2和VGS3相继降为-15V，使J2和J3相继关断。
图7所示为故障情况下串联型固态断路器动静态均压波形，横轴时间为100μs每格，VDS1、VDS2、VDS3分别为J1、J2、J3的漏源极电压，IR为流过故障电阻上的电流。IR波形为每格20A，与图6中IR波形基本一致。VDS1、VDS2、VDS3波形为每格50V，在50μs处J1、J2、J3全部完成关断，50μs后VDS1、VDS2、VDS3基本维持稳定在1/3VDC，静态均压效果良好；而在50μs之前，三管陆续关断，首先是J1关断，即VDS1上升，而后J2和J3陆续关断，VDS2和VDS3陆续上升，因为只有J1是受外部驱动的控制关断的，另外两管是由单驱动串联电路提供的关断电压。从图7中可以看出三管关断时间差不超过40μs，且关断最快的J1的漏源极电压VDS1无明显过冲，可以认为动态均压效果良好。通过以上实验，有效的验证了串联型直流固态开关设计的有效性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于SiC JFET的串联型直流保护开关，其特征在于，包括：主开关模块(1)、采样模块(2)、光耦隔离模块(3)、单片机控制模块(4)和驱动模块(5)；所述采样模块(2)一端连接在所述主开关模块(1)的P端，另一端连接所述主开关模块(1)的N端，所述采样模块(2)的输出端连接所述光耦隔离模块(3)的输入端；所述光耦隔离模块(3)的输出端连接单片机控制模块(4)的输入端，所述单片机控制模块(4)的输出端连接所述驱动模块(5)，所述驱动模块(5)与所述主开关控制模块(1)连接；
所述主开关模块(1)的结型场效应管J1、J2和J3串联在直流电路中，所述结型场效应管J3的漏极连接所述主开关模块(1)的P端，结型场效应管J1的源极连接所述主开关模块(1)的N端；所述场效应管J1、J2和J3分别与对应的瞬态抑制二级管Z1、Z2和Z3并联，所述瞬态抑制二极管Z1、Z2和Z3依次串联且连接于直流电路正负极之间；所述结型场效应管J1、J2和J3分别并联对应的三个RCD缓冲电路，所述三个RCD缓冲电路串联在直流电路的正负极之间；
所述结型场效应管J1的G端连接栅极电阻Rg1，所述栅极电阻Rg1的一端连接二极管ZD1阳极，所述二级管ZD1的阴极连接直流电源的负极；所述结型场效应管J2的G端经栅极电阻Rg2连接电容Cg1的一端，所述电容Cg1的另一端连接直流电源的负极，所述结型场效应管J2的G端同时连接二极管ZD2的阳极，所述二级管ZD2的阴极连接瞬态抑制二极管Z1、Z2的连接处；所述二极管ZD2的阴极同时与结型场效应管J2的S端、结型场效应管J1的D端连接；所述结型场效应管J3的G端经栅极电阻Rg3连接电容Cg2的一端，所述电容Cg2的另一端连接直流电源的负极，所述结型场效应管J3的G端同时连接二极管ZD3的阳极，所述二极管ZD3的阴极连接瞬态抑制二极管Z2、Z3的连接处；所述二极管ZD3的阴极同时与结型场效应管J3的S端、结型场效应管J2的D端连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于SiC JFET的串联型直流保护开关，其特征在于，所述RCD缓冲电路包括二极管DDS、电容CDS和电阻RDS；所述电容CDS与电阻RDS并联后再与二极管DDS串联，所述RCD缓冲电路与对应的金属氧化物压敏电阻MOV并联；所述二级管DDS的阳极连接所述金属氧化物压敏电阻MOV。
3.根据权利要求1所述的一种基于SiC JFET的串联型直流保护开关，其特征在于，所述驱动模块(5)的驱动电路中，电容C5一端连接VCC1，另一端接地；上拉电阻R5的一端连接VCC1，另一端连接三极管Q3、Q4的基极并与单片机控制模块(4)的输出端相连，且三极管Q3、Q4的基极均经滤波电容C4接地；三极管Q3的发射极连接三极管Q4的集电极，且三极管Q3的发射极和三极管Q4的集电极均连接MOSFET Q2的栅极，三级管Q3的集电极经电阻R6连接VCC1，三极管Q4的发射极经电阻R7接地；MOSFET Q2的源极接地，MOSFET Q2的漏极经与其串联的DC/DC变换器原边绕组L1连接VCC1；
所述DC/DC变换器原边绕组L1与DC/DC变换器副边绕组L2、L3配合设置；所述DC/DC变换器副边绕组L3与二极管D3、电阻RL3、输出电容C3串联构成正激电路；所述二级管D3的阳极与DC/DC变换器副边绕组L3的一端连接，二极管D3的阴极经电阻RL3连接输出电容C3的正极，DC/DC变换器副边绕组L3的另一端连接输出电容C3的负极；所述DC/DC变换器副边绕组L2与二极管D2、输出电容C3串联构成反激电路；所述二极管D2的阳极与DC/DC变换器副边绕组L2的一端连接，二级管D2的阴极连接输出电容C3的正极，输出电容C3的负极与DC/DC变换器副边绕组L2的另一端相连；稳压二极管D4的阳极连接输出电容C3的负极，稳压二级管D4的阴极连接输出电容C3的正极；电阻R4与稳压二极管D4并联且R4的两端分别连接主开关模块(1)中对应Rg1的A端和二极管ZD1的阴极B端。
4.根据权利要求1所述的一种基于SiC JFET的串联型直流保护开关，其特征在于，所述采样模块(2)中的电阻R1的一端分别连接所述主开关模块(1)的P端，另一端连接所述光耦隔离模块(4)的输入端；稳压二极管D1的阴极连接所述光耦隔离模块(3)的输入端，阳极连接所述主开关模块(1)的N端；电阻R2一端连接所述主开关模块(1)的P端，另一端经电容C1连接所述光耦隔离模块(3)的输入端；电容C2一端连接所述光耦隔离模块(3)的输入端，另一端与稳压二极管D1的阳极相连。
5.根据权利要求1或3所述的一种基于SiC JFET的串联型直流保护开关，其特征在于，所述单片机控制模块(4)中单片机的型号为STM8S105。
6.根据权利要求1或4所述的一种基于SiC JFET的串联型直流保护开关，其特征在于，所述光耦隔离模块(3)中的光电耦合器的型号为HCNR201。
7.根据权利要求1、3或4所述的一种基于SiC JFET的串联型直流保护开关，其特征在于，所述主开关模块(1)中串联的结型场效应管J1、J2和J3的型号均为UJN1205K。
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