CN110429562B - 基于常通型sic器件的混合式高压直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于常通型SIC器件的混合式高压直流断路器及其控制方法，属于电气设备及电气工程技术领域。它包括通流支路、转移支路、能量吸收支路及控制系统。通流支路包括快速机械开关、辅助SIC全控型功率开关管；转移支路包括常通型SIC功率器件高压开关；能量吸收支路包括金属氧化物可变电阻（MOV）；控制系统包括直流电流检测模块、驱动电路模块、控制电路模块。本发明能够解决直流输电系统切断线路故障技术难度大、多级联功率器件驱动和串联均压问题，且结构简单，成本低，可靠性高。

Description

基于常通型SIC器件的混合式高压直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明涉及技术领域电气设备及电气工程，具体为一种基于常通型SIC器件的混合式高压直流断路器及其控制方法。

背景技术

高压直流断路器作切断线路故障的关键设备对维护直流电网安全运行至关重要。由于直流输电系统线路阻抗低，线路发生短路故障时，故障电流上升速度快，幅值高，要求直流断路器响应速度快，开断电流幅值大。另外与交流输电系统相比，直流输电系统是单极性的，电流没有过零点，无法套用交流断路器的开断原理，需要人工创造过零点来实现电流开断，技术难度大。

要求通态损耗小，并且能关断幅值大，没有过零点的故障直流电流，最理想的直流断路器就是混合式断路器。但是混合式直流断路器为了满足高电压关断要求，需要串联很多功率器件，存在串联均压和串联驱动的问题。

近年来，宽禁带SIC器件快速发展，以其比传统Si器件高的结温耐受力、低的导通电阻、高的临界耐击穿能力、更快的动作速度，成为了高压直流断路器的理想器件。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种能够解决直流输电系统切断线路故障技术难度大、多级联功率器件驱动和串联均压问题，且结构简单，成本低，可靠性高的基于常通型SIC器件的混合式高压直流断路器及其控制方法。技术方案如下：

一种基于常通型SIC器件的混合式高压直流断路器，包括通流支路、转移支路、能量吸收支路及控制系统；所述通流支路、转移支路和能量吸收支路并联连接在供电系统输出端的A节点和负载之前的B节点之间；通流支路包括顺次连接在AB节点间的快速机械开关和辅助SIC全控型功率开关；转移支路包括常通型SIC功率器件高压开关；能量吸收支路包括金属氧化物可变电阻；

控制系统包括直流电流检测模块、驱动电路模块和控制电路模块；直流电流检测模块包括直流电流采样传感器和电压比较器，电压比较器将直流电流采样传感器的采样信号与参考电压相比较输出高低电平，控制电路模块根据直流电流检测模块输出的的高低电平对断路器的不同工作状态进行判断，向驱动电路模块发送信号；驱动电路模块根据控制电路模块输出的信号产生使断路器工作在不同工作状态下的驱动电压，加载于常通型SIC功率器件高压开关中SIC MOSFET的栅极。

进一步的，所述辅助SIC全控型功率开关包括w个SIC全控型功率开关管，第w个SIC全控型功率开关管的漏极与快速机械开关相连，第w-1个SIC全控型功率开关管的漏极与第w个SIC全控型功率开关管的源极相连，以此类推，下一个SIC全控型功率开关管的漏极与上个SIC全控型功率开关管的源极相连；第1个SIC全控型功率开关管的漏极与第2个SIC全控型功率开关管的源极相连，第1个SIC全控型功率开关管的源极与B节点相连。

更进一步的，所述常通型SIC功率器件高压开关包括一个SIC MOSFET和n个SIC常通型器件；

SIC MOSFET的源极与B节点相连，漏极与第1个SIC常通型器件的源极相连，第1个SIC常通型器件的漏极与第2个SIC常通型器件的源极相连，以此类推，上一个SIC常通型器件的漏极与下一个SIC常通型器件的源极相连，第n个SIC常通型器件的漏极与A节点相连；

n+1个静态均压电阻R_sl分别并联于SIC MOSFET和每一个SIC常通型器件的漏源极两端；n+1个动态均压电阻R_ml和电容C_ml构成的串联构件分别并联于静态均压电阻R_sl的两端；n+1个驱动电阻R_l和电容C_l构成串联构件，第1个串联构件连接到第1个SIC常通型器件的栅极和SIC MOSFET的源极之间，第2个串联构件连接到第1个SIC常通型器件的栅极和第2个SIC常通型器件的栅极之间；以此类推，第n个串联构件连接到第n-1个SIC常通型器件的栅极和第n个SIC常通型器件的栅极之间；第n+1个串联构件连接到第n个SIC常通型器件的栅极和漏极之间；每个SIC常通型器件的漏极和源极之间连接有稳压管，且稳压管的正极与SIC常通型器件的栅极相连；其中l＝0,1,…n，n为大于2的整数。

一种基于常通型SIC器件的混合式高压直流断路器的控制方法，其特征在于，包括：

当供电系统和负载处于正常工作时，控制系统控制通流支路中的快速机械快关和辅助SIC全控型功率开关导通，转移支路和能量吸收支路关闭，供电系统通过低导通阻抗的通流支路向负载提供电力；

当供电系统或者负载发生故障，导致线路中的电流发生过流时，控制系统首先控制转移支路中的常通型SIC功率器件高压开关导通，然后关闭通流支路中的辅助SIC全控型功率开关，线路电流开始向转移支路转移，当通流支路电流减小到一定程度后，控制系统控制通流支路中的快速机械开关关闭，实现机械开关的无弧关断；

当机械开关打开到一定距离，恢复绝缘介质时，控制系统控制转移支路中的常通型SIC功率器件高压开关关断，最后故障电流转移到能量吸收支路中，完成对线路故障能量的吸收工作。

本发明的有益效果是：

(1)在通流支路中采用快速机械开关和辅助SIC全控型功率开关，降低了断路器在正常通流时的通态损耗，采用辅助SIC全控型功率开关增强辅助全控型功率开关的结温耐受力、临界耐击穿能力、增快了关断速度；

(2)在转移支路中的采用常通型SIC功率器件增加了转移支路的关断与导通速度，进而提升了直流断路器的动作速度；采用常通型SIC功率器件高压开关，仅仅其中的SICMOSFET需要驱动电路，避免传统的级联功率器件每个功率器件都需要一个专门的驱动电路以及驱动浮地的问题，降低了成本。同时，具用级联功率器件的动静态均压作用，不需要传统的动静态均压控制系统；

(3)本发明采用控制系统通过直流电流检测模块能自动检测故障电流，并通过控制电路模块和驱动电路模块实现故障电流的自关断。同时控制系统利用简单的电路就能实现本文提出的直流断路器的自关断和正常工作复位功能，可靠性高，成本低。

附图说明

图1为本发明基于常通型SIC器件的混合式高压直流断路器的结构示意图。

图2为本发明中转移支路中的常通型SIC功率器件高压开关的电路图。

图3为本发明的基于常通型SIC器件的混合式高压直流断路器在切除故障时的电压电流波形图和控制系统信号图。

图4为本发明中转移支路中的常通型SIC功率器件高压开关在导通和关断时级联功率器件漏源极电压的均压电压波形和栅源极电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明提供的一种基于常通型SIC器件的混合式高压直流断路器，如图1所示，包括通流支路、转移支路、能量吸收支路和控制系统。通流支路包括快速机械开关和辅助SIC功率开关；转移支路包括常通型SIC功率器件高压开关；能量吸收支路包括金属氧化物可变电阻(MOV)。通流支路的两端、转移支路的两端和能量吸收支路的两端相互并联在一起。

快速机械开关的一端与通流支路的一端相连，快速机械开关另一端与辅助SIC功率开关的一端相连，辅助SIC功率开关的另一端与通流支路的另一端相连；通型SIC功率器件高压开关的两端与转移支路的两端并联；金属氧化物可变电阻(MOV)的两端与能量吸收支路的两端并联。

其中，辅助SIC全控型功率开关包括w个SIC全控型功率开关管，第w个SIC全控型功率开关管的漏极与快速机械开关一端相连，第w-1个SIC全控型功率开关管的漏极与第w个SIC全控型功率开关管的源极相连，后一个SIC全控型功率开关管的漏极与前个SIC全控型功率开关管的源极相连，第一个SIC全控型功率开关管的漏极与第2个SIC全控型功率开关管的源极相连，第一个SIC全控型功率开关管的源极与转移支路和能量吸收支路的一端相连。

转移支路中的常通型SIC功率器件高压开关电路图如图2所示，包括一个SICMOSFET、n个SIC常通型器件、n个稳压管、2(n+1)个电容、3(n+1)个电阻。SIC MOSFET的源极与第一个SIC全控型功率开关管的源极和能量吸收支路一端相连，SIC MOSFET的漏极与第一个SIC常通型器件的源极相连，第一个SIC常通型器件的漏极与第2个SIC常通型器件的源极相连，前一个SIC常通型器件的源极与后一个SIC常通型器件的漏极相连，第n个SIC常通型器件的漏极与快速机械开关的一端和能量吸收支路另一端相连；n+1个静态均压电阻R_sl依次串联在一起，每一个电阻R_sl的两端又分别并在SIC MOSFET和每一个SIC常通型器件的漏源极两端；n+1个动态均压电阻R_ml和电容C_ml两个一组串联一起，每一组的两端又分别并联在静态均压电阻R_sl的两端；n+1个驱动电阻R_l和电容C_l两个一组串联在一起，第一组的两端并联在第一个SIC常通型器件的栅极和SIC MOSFET的源极，第i组两端并联在第i个SIC常通型器件的栅极和第i+1个SIC常通型器件的栅极两端。第n+1组的一端与第n个SIC常通型器件的漏极、快速机械开关的一端和能量吸收支路一端相连，另一端与第n个SIC常通型器件的栅极相连；每个稳压管的两端并联在每个SIC常通型器件的漏源极两端，其中稳压管的正极与SIC常通型器件的栅极相连，其中(0≤l≤n)，(n>i>0)，n为大于2的整数。

控制系统包括直流电流检测模块、驱动电路模块、控制电路模块。直流电流检测模块输出与控制电路模块的输入相连，控制电路模块的输出与驱动电路模块的输入相连，驱动电路模块的输出与常通型SIC功率器件高压开关中SIC MOSFET的栅极相连。

直流电流检测模块，包括直流电流采样传感器和电压比较器，通过电压比较器将采样信号与参考电压相比较输出高低电平来让控制电路模块输出相应的信号。控制电路模块根据直流电流检测模块输出的信号，对断路器的不同工作状态进行判断，向驱动电路模块发送信号。驱动电路模块根据控制电路模块输出的信号产生使断路器工作在不同工作状态下的驱动电压。

直流电流检测模块中采样电路采集故障电流输出电压与比较器进行比较产生故障信号。传输给控制电路模块中的JK触发器，输出控制信号给驱动电路模块中的驱动芯片，控制SIC MOSFET。控制电路模块中的SSCB2关断信号依次经过非门和与门送给JK触发器控制驱动芯片关断SSCB2。

本发明所述的控制方法为：当供电系统和负载处于正常工作时，控制系统控制通流支路中的快速机械快关和辅助SIC全控型功率开关导通，转移支路和能量吸收支路关闭，供电系统通过低导通阻抗的通流支路向负载提供电力；当供电系统或者负载发生故障，导致线路中的电流发生过流时，控制系统首先控制转移支路中的常通型SIC功率器件高压开关导通，然后关闭通流支路中的辅助SIC全控型功率开关，线路电流开始向转移支路转移，当通流支路电流减小到一定程度后，控制系统控制通流支路中的快速机械开关关闭，实现机械开关的无弧关断，降低对机械开关触头的损伤，当机械开关打开到一定距离，恢复绝缘介质时，控制系统控制转移支路中的常通型SIC功率器件高压开关关断，最后故障电流转移到能量吸收支路中，完成对线路故障能量的吸收工作。至此，直流断路器完成了对故障的切除工作，保护供电系统和负载的安全。

图3为本发明的基于常通型SIC器件的混合式高压直流断路器在切除故障时的电压电流波形图和控制系统信号图，本仿真中常通型SIC功率器件高压开关以3个常通型SIC功率器件和SIC MOSFET级联为例。在t₀时刻，线路发生短路故障，故障电流上升；在t₁时刻，故障检测电路检测到故障信号，导通常通型SIC功率器件高压开关(SSCB2)；t₂时刻，SSCB1关断，电流转移到转移支路；在t₃时刻，关断常通型SIC功率器件高压开关(SSCB2)，故障电流转移到吸收支路，由MOV吸收线路中的短路能量，完成故障切除。如图3(1)为上述断路器在切除故障时的电压电流波形图和控制系统信号图。图3(1)中的(a)为常通型SIC功率器件高压开关(SSCB2)中SIC MSOFET和常通型SIC功率器件的栅源电压V_GS，在t₁→t₃期间，常通型SIC功率器件高压开关(SSCB2)导通，SIC MOSFET栅源电压为15V，常通型SIC功率器件的栅源电压为0V；图3(1)中的(b)为通流支路和转移支路的电流；图3(1)中的(c)为常通型SIC功率器件高压开关(SSCB2)中SIC MSOFET和常通型SIC功率器件的漏源电压V_DS，在t₃时刻以后，常通型SIC功率器件高压开关(SSCB2)中的4个功率器件漏源电压分的电压相同，实现了非常好的均压效果。图3(2)为常通型SIC功率器件高压开关(SSCB2)中SIC MSOFET和常通型SIC功率器件的漏源电压V_DS放大图，其中以3个常通型SIC功率器件和SIC MOSFET级联为例，J₁～J₃为常通型SIC器件，M为SIC MOSFET；可以看出4个功率器件在关断过程中和关断后都实现了较好的均压效果，最大均压差仅为6V。

图4为本发明中转移支路中的常通型SIC功率器件高压开关在导通和关断时级联功率器件漏源极电压的均压电压波形和栅源极电压波形图(其中常通型SIC功率器件高压开关以3个常通型SIC功率器件和SIC MOSFET级联为例，J₁～J₃为常通型SIC器件，M为SICMOSFET)。图4(a)为4个功率器件的漏源电压V_DS，4个串联的功率器件在关断过程中和关断后，其漏源电压V_DS都保持相同，实现了动静态均压；图4(b)为4个功率器件的栅源电压V_GS，通过控制第一个SIC MOSFET的栅源电压V_GS为12V或0V，其余三个SIC常通型器件的栅源电压V_GS相应的为0V或-12V，实现了四个功率器件的同时导通和关断。

Claims (3)

1.一种基于常通型SIC器件的混合式高压直流断路器，其特征在于，包括通流支路、转移支路、能量吸收支路及控制系统；所述通流支路、转移支路和能量吸收支路并联连接在供电系统输出端的A节点和负载之前的B节点之间；通流支路包括顺次连接在AB节点间的快速机械开关和辅助SIC全控型功率开关；转移支路包括常通型SIC功率器件高压开关；能量吸收支路包括金属氧化物可变电阻；

控制系统包括直流电流检测模块、驱动电路模块和控制电路模块；直流电流检测模块包括直流电流采样传感器和电压比较器，电压比较器将直流电流采样传感器的采样信号与参考电压相比较输出高低电平，控制电路模块根据直流电流检测模块输出的高低电平对断路器的不同工作状态进行判断，向驱动电路模块发送信号；驱动电路模块根据控制电路模块输出的信号产生使断路器工作在不同工作状态下的驱动电压，加载于常通型SIC功率器件高压开关中SIC MOSFET的栅极；

所述常通型SIC功率器件高压开关包括一个SIC MOSFET和n个SIC常通型器件；

SIC MOSFET的源极与B节点相连，漏极与第1个SIC常通型器件的源极相连，第1个SIC常通型器件的漏极与第2个SIC常通型器件的源极相连，以此类推，上一个SIC常通型器件的漏极与下一个SIC常通型器件的源极相连，第n个SIC常通型器件的漏极与A节点相连；

n+1个静态均压电阻R_sl分别并联于SIC MOSFET和每一个SIC常通型器件的漏源极两端；

n+1个动态均压电阻R_ml和电容C_ml构成的串联构件分别并联于静态均压电阻R_sl的两端；

n+1个驱动电阻R_l和电容C_l构成串联构件，第1个串联构件连接到第1个SIC常通型器件的栅极和SIC MOSFET的源极之间，第2个串联构件连接到第1个SIC常通型器件的栅极和第2个SIC常通型器件的栅极之间；以此类推，第n个串联构件连接到第n-1个SIC常通型器件的栅极和第n个SIC常通型器件的栅极之间；第n+1个串联构件连接到第n个SIC常通型器件的栅极和漏极之间；每个SIC常通型器件的栅极和源极之间连接有稳压管，且稳压管的正极与SIC常通型器件的栅极相连；其中l＝0,1,...n，n为大于2的整数。

2.根据权利要求1所述的基于常通型SIC器件的混合式高压直流断路器，其特征在于，所述辅助SIC全控型功率开关包括w个SIC全控型功率开关管，第w个SIC全控型功率开关管的漏极与快速机械开关相连，第w-1个SIC全控型功率开关管的漏极与第w个SIC全控型功率开关管的源极相连，以此类推，下一个SIC全控型功率开关管的漏极与上个SIC全控型功率开关管的源极相连；第1个SIC全控型功率开关管的漏极与第2个SIC全控型功率开关管的源极相连，第1个SIC全控型功率开关管的源极与B节点相连。

3.一种如权利要求1所述的基于常通型SIC器件的混合式高压直流断路器的控制方法，其特征在于，包括：

当供电系统和负载处于正常工作时，控制系统控制通流支路中的快速机械快关和辅助SIC全控型功率开关导通，转移支路和能量吸收支路关闭，供电系统通过低导通阻抗的通流支路向负载提供电力；

当供电系统或者负载发生故障，导致线路中的电流发生过流时，控制系统首先控制转移支路中的常通型SIC功率器件高压开关导通，然后关闭通流支路中的辅助SIC全控型功率开关，线路电流开始向转移支路转移，当通流支路电流减小到一定程度后，控制系统控制通流支路中的快速机械开关关闭，实现机械开关的无弧关断；

当机械开关打开到一定距离，恢复绝缘介质时，控制系统控制转移支路中的常通型SIC功率器件高压开关关断，最后故障电流转移到能量吸收支路中，完成对线路故障能量的吸收工作。

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