CN110518544B - 一种基于常通型sic器件串联结构的固态直流断路器 - Google Patents

一种基于常通型sic器件串联结构的固态直流断路器 Download PDF

Info

Publication number
CN110518544B
CN110518544B CN201910777888.2A CN201910777888A CN110518544B CN 110518544 B CN110518544 B CN 110518544B CN 201910777888 A CN201910777888 A CN 201910777888A CN 110518544 B CN110518544 B CN 110518544B
Authority
CN
China
Prior art keywords
normally
sic device
sic
circuit
series
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910777888.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110518544A (zh
Inventor
杨平
张飞虎
孔倩
刘湘
吴松荣
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Southwest Jiaotong University
Original Assignee
Southwest Jiaotong University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Southwest Jiaotong University filed Critical Southwest Jiaotong University
Priority to CN201910777888.2A priority Critical patent/CN110518544B/zh
Publication of CN110518544A publication Critical patent/CN110518544A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110518544B publication Critical patent/CN110518544B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H3/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection
    • H02H3/08—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current
    • H02H3/087—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal electric working condition with or without subsequent reconnection ; integrated protection responsive to excess current for dc applications
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/51—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used
    • H03K17/56—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices
    • H03K17/72—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices having more than two PN junctions; having more than three electrodes; having more than one electrode connected to the same conductivity region
    • H03K17/73—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the components used by the use, as active elements, of semiconductor devices having more than two PN junctions; having more than three electrodes; having more than one electrode connected to the same conductivity region for dc voltages or currents
    • H03K17/732—Measures for enabling turn-off

Landscapes

  • Electronic Switches (AREA)
  • Protection Of Static Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于常通型SIC器件串联结构的固态直流断路器，属于电气设备及电气工程技术领域；常通型SIC器件串联结构用于固态直流断路器中对供电线路的分合；电流检测电路用于检测供电线路电流；驱动电路根据电流检测电路的信号做出电流故障的判断，对常通型SIC器件串联结构进行关断控制，隔离短路故障，保护供电系统；其中常通型SIC器件串联结构通过分离式器件电容、电阻和稳压管实现对多个常通型SIC器件的驱动及串联均压。本发明仅需要一个专门的驱动电路控制一个常通型SIC器件即可实现n个常通型SIC器件的驱动及均压，具有结构简单、成本低的特点。

Description

一种基于常通型SIC器件串联结构的固态直流断路器
技术领域
本发明属于电气设备及电气工程技术领域，具体涉及一种基于常通型SIC器件串联结构的固态直流断路器。
背景技术
近几年，随着国家对环境保护的重视，加上全球煤炭、石油等不可再生能源的逐渐枯竭，国家加大了对可再生清洁能源的开发利用程度。我国从沿海地区的海上风力发电到西部的太阳能发电等清洁能源正在稳步建设中，而这些分布式能源进行远距离输电最好的方式就是高压直流输电。直流断路器作为保护直流配电网安全可靠运行的关键设备，要求其具有能快速、可靠切断大电压的能力。
相比机械和混合式直流断路器，固态直流断路器具有结构简单、开关速度快、关断无弧等优点，然而直流供电系统电压等级高，功率器件耐压等级低，需要关断大电压的供电系统，需要串联多个功率器件，串联功率器件存在驱动浮地问题，使其驱动和串联均压困难，存在驱动控制电路较为复杂以及成本较高等缺点。
发明内容
本发明目的在于解决固态直流断路器电压等级低、串联功率器件驱动复杂和串联均压困难的问题。提供一种基于常通型SIC器件串联结构的固态直流断路器，具体方案如下：
一种基于常通型SIC器件串联结构的固态直流断路器，其结构为：能量吸收电路和常通型SIC器件串联结构并联，电流检测电路的检测端设置在常通型SIC器件串联结构的一端，电流检测电路的输出与驱动电路的输入相连，驱动电路的输出与常通型SIC器件串联结构中的第一个常通型SIC器件的栅源两端相连。
上述常通型SIC器件串联结构用于固态直流断路器中对供电线路的分合，其结构为：
第1个常通型SIC器件的源极为常通型SIC器件串联结构的一端，它和驱动电路的输出驱动电压的正极相连，第1个常通型SIC器件的栅极与驱动电路的输出驱动电压的负极相连，第1个常通型SIC器件的漏极与第2个常通型SIC器件的源极相连，后一个常通型SIC器件的源极与前一个常通型SIC器件的漏极相连，第n个常通型SIC器件的漏极为常通型SIC器件串联结构的另一端。n个静态均压电阻Rsl依次串联在一起，每一个电阻Rsl的两端又分别并联在对应的每一个常通型SIC器件的漏源极两端；n个动态均压电阻Rml和电容Cml两个一组串联一起，每一组的两端又分别并联在对应的静态均压电阻Rsl的两端；n个驱动电阻Rl和电容Cl两个一组串联在一起，第一组的两端并联在第2个常通型SIC器件的栅极和第1个常通型SIC器件的源极，第i组两端并联在第i个常通型SIC器件的栅极和第i+1个常通型SIC器件的栅极两端；第n组的一端与第n个常通型SIC器件的栅极相连，另一端与第n个常通型SIC器件的漏极相连；除第一个常通型SIC器件外其余每个常通型SIC器件的栅源极两端并联一个稳压管，其中稳压管的正极与常通型SIC器件的栅极相连。其中，n为大于2的整数， l为大于等于1且小于等于n的整数，i为大于1且小于n的整数。
上述常通型SIC器件为常通型低导通电阻SIC器件。
上述能量吸收电路为金属氧化物可变电阻MOV，用于在断路器关断时，吸收线路中的能量。
上述电流检测电路的检测设备为直流电流采样传感器，用于检测供电线路电流。驱动电路根据电流检测电路输出的信号做出电流故障的判断，对常通型SIC器件串联结构进行关断控制，隔离短路故障，保护供电系统。
本发明相比现有技术的有益技术效果为：
本发明通过简单的分离式器件电容、电阻和稳压管就可以实现多个常通型SIC器件串联驱动和均压功能。本发明中n个SIC常常通型器件串联仅需要一个专门的驱动电路，不需要像传统的串联功率器件每一个器件都需要一个专门的驱动电路，其控制系统结构简单，可靠性高，成本低。并且本发明中采用常通型SIC器件，通态损耗低，发明的常通型SIC串联结构应用于固态直流断路器克服了固态直流断路器通态损耗高，关断电压级别低的缺点，让固态直流断路器应用于高压场合成为了可能。
附图说明
图1为本发明的固态直流断路器结构图。
图2本发明的常通型SIC器件串联结构图。
图3为固态直流断路器的自供电控制电路。
图4为本发明的关断动作仿真波形图。
图5为本发明的常通型SIC器件串联结构驱动和均压测试仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步详细说明,且实施例并不构成对本发明的限定。
本发明提供的一种基于常通型SIC器件串联结构的固态直流断路器，其结构如图1所示，具体为：能量吸收电路和常通型SIC器件串联结构并联，电流检测电路的检测端设置在常通型SIC器件串联结构的一端，电流检测电路的输出与驱动电路的输入相连，驱动电路的输出与常通型SIC器件串联结构中的第一个常通型SIC器件的栅源两端相连。其中常通型SIC器件串联结构用于固态直流断路器中对供电线路的分合；电流检测电路的检测设备为直流电流采样传感器，用于检测供电线路电流；驱动电路根据电流检测电路的信号做出电流故障的判断，对常通型SIC器件串联结构进行关断控制，隔离短路故障，保护供电系统。
能量吸收电路为金属氧化物可变电阻(MOV)，用于在断路器关断时，吸收线路中的能量。
本实施例中使用的是常通型低导通电阻SIC器件，比如UnitedSiC公司的常通型SIC器件UJ3N120035K3S耐压等级为1200V，导通电阻仅为35mΩ，比传统Si器件结温耐受力高、导通电阻低、临界耐击穿能力高以及开断动作速度快等优点，克服了固态直流断路器通态电阻高所致的功率损耗高的缺点。
常通型SIC器件串联结构如图2所示，包括n个常通型SIC器件、n-1个稳压管、2n个电容、3n个电阻。连接结构为：第1个常通型SIC器件的源极为常通型SIC器件串联结构的一端，它和驱动电路的输出驱动电压的正极相连，第1个常通型SIC器件的栅极与驱动电路的输出驱动电压的负极相连，第1个常通型SIC器件的漏极与第2个常通型SIC器件的源极相连，后一个常通型SIC器件的源极与前一个常通型SIC器件的漏极相连，第n个常通型SIC 器件的漏极为常通型SIC器件串联结构的另一端。n个静态均压电阻Rsl依次串联在一起，每一个电阻Rsl的两端又分别并联在对应的每一个常通型SIC器件的漏源极两端；n个动态均压电阻Rml和电容Cml两个一组串联一起，每一组的两端又分别并联在对应的静态均压电阻Rsl的两端；n个驱动电阻Rl和电容Cl两个一组串联在一起，第一组的两端并联在第2个常通型SIC器件的栅极和第1个常通型SIC器件的源极，第i组两端并联在第i个常通型SIC器件的栅极和第i+1个常通型SIC器件的栅极两端；第n组的一端与第n个常通型SIC器件的栅极相连，另一端与第n个常通型SIC器件的漏极相连；除第一个常通型SIC器件外其余每个常通型SIC器件的栅源极两端并联一个稳压管，其中稳压管的正极与常通型SIC器件的栅极相连。其中(1≤l≤n)，(1＜i＜n)，n为大于2的整数。
上述常通型SIC器件串联结构中，稳压管保证常通型SIC器件关断时其栅源负电压的稳定；电阻Rml和电容Cml两个一组起常通型SIC器件串联动态均压作用；电阻Rsl起静态均压作用；电阻Rl和电容Cl两个一组起第2个到第n个常通型SIC器件驱动作用，同时还具有对n个常通型SIC器件动态均压作用，通过调节Rl*Cl大小可以调节第l个常通型SIC器件的动态均压，当CnRn＝Cn-1Rn-1＝… ＝ClRl＝… ＝C1R1时，均压效果最好，调节电容Cl的大小可以调节第l+1个常通型SIC器件的栅源电压大小，当Cn＜Cn-1＜… ＜Cl＜… ＜C1时，每个常通型SIC 器件栅源电压大小相近，同时常通型SIC器件的均压效果也最好。
当控制第一个常通型SIC器件导通时，由于常通型SIC器件漏源电压和电容Cl电压大小关系，使得其余n-1个常通型SIC器件的栅源电压近似为0V，满足其导通条件；当控制第一个常通型SIC器件关断时，由于常通型SIC器件漏源电压和电容Cl电压大小关系，使得其余 n-1个常通型SIC器件的栅源电压小于-10V，满足其关断条件。
图3为本发明固态直流断路器的自供电控制电路，故障检测电路并联在常通型SIC器件串联结构两端，当短路故障发生时电容C2两端的电压会增大，达到PWM芯片的阈值电压， PWM芯片开始工作，电容C2两端的电压同时也给驱动电路供电，PWM芯片产生PWM斩波驱动功率器件M1，使驱动电路(即单端反激电路)工作，输出的负电压连接在常通型SIC 器件串联结构中的第一个常通型SIC器件的栅源两端，使常通型SIC器件串联结构关断。
本实施例以4个常通型SIC器件串联为例进行仿真，其固态直流断路器的关断动作仿真波形图如图4所示。t1时刻发生短路故障，t2时刻断路器关断，切除故障。图中(a)部分为供电线路电流；图中(b)部分为4个常通型SIC器件的漏源电压，在断路器关断过程和关断后，4个常通型SIC器件的漏源电压VDS都保持相同，实现了动静态均压；图中(c)部分为4 个常通型SIC器件的栅源电压VGS，通过控制第一个常通型SIC器件的栅源电压VGS为0V或 -15V，其余三个常通型SIC器件的栅源电压VGS也相应的为0V或-15V。
继续以4个常通型SIC器件串联为例进行仿真，常通型SIC器件串联结构驱动和均压测试仿真图如图5所示。图中(a)部分为4个常通型SIC器件的漏源电压VDS，在4个串联的常通型SIC器件在关断过程中和关断后，其漏源电压VDS都保持相同，实现了动静态均压；图中(b)部分为4个常通型SIC器件的栅源电压VGS，通过控制第一个常通型SIC器件的栅源电压VGS为0V或-12V，其余四个常通型SIC器件的栅源电压VGS也相应的为0V或-12V，相应的实现四个常通型SIC器件的导通或关断。
通过仿真测试，本发明可以实现对多个常通型SIC器件串联驱动和均压功能。

Claims (4)

1.一种基于常通型SIC器件串联结构的固态直流断路器，其特征在于，能量吸收电路和常通型SIC器件串联结构并联，电流检测电路的检测端设置在常通型SIC器件串联结构的一端，电流检测电路的输出与驱动电路的输入相连，驱动电路的输出与常通型SIC器件串联结构中的第一个常通型SIC器件的栅源两端相连；
所述常通型SIC器件串联结构的结构为：
第1个常通型SIC器件的源极为常通型SIC器件串联结构的一端，它和驱动电路的输出驱动电压的正极相连，第1个常通型SIC器件的栅极与驱动电路的输出驱动电压的负极相连，第1个常通型SIC器件的漏极与第2个常通型SIC器件的源极相连，后一个常通型SIC器件的源极与前一个常通型SIC器件的漏极相连，第n个常通型SIC器件的漏极为常通型SIC器件串联结构的另一端；n个静态均压电阻Rsl依次串联在一起，每一个电阻Rsl的两端又分别并联在对应的每一个常通型SIC器件的漏源极两端；n个动态均压电阻Rml和电容Cml两个一组串联一起，每一组的两端又分别并联在对应的静态均压电阻Rsl的两端；n个驱动电阻Rl和电容Cl两个一组串联在一起，第一组的两端并联在第2个常通型SIC器件的栅极和第1个常通型SIC器件的源极，第i组两端并联在第i个常通型SIC器件的栅极和第i+1个常通型SIC器件的栅极两端；第n组的一端与第n个常通型SIC器件的栅极相连，另一端与第n个常通型SIC器件的漏极相连；除第一个常通型SIC器件外其余每个常通型SIC器件的栅源极两端并联一个稳压管，其中稳压管的正极与常通型SIC器件的栅极相连；
其中，n为大于2的整数，l为大于等于1且小于等于n的整数，i为大于1且小于n的整数。
2.根据权利要求1所述的一种基于常通型SIC器件串联结构的固态直流断路器，其特征在于，所述常通型SIC器件为常通型低导通电阻SIC器件。
3.根据权利要求1所述的一种基于常通型SIC器件串联结构的固态直流断路器，其特征在于，所述能量吸收电路为金属氧化物可变电阻MOV，用于在断路器关断时，吸收线路中的能量。
4.根据权利要求1所述的一种基于常通型SIC器件串联结构的固态直流断路器，其特征在于，所述电流检测电路的检测设备为直流电流采样传感器，用于检测供电线路电流。
CN201910777888.2A 2019-08-22 2019-08-22 一种基于常通型sic器件串联结构的固态直流断路器 Active CN110518544B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910777888.2A CN110518544B (zh) 2019-08-22 2019-08-22 一种基于常通型sic器件串联结构的固态直流断路器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910777888.2A CN110518544B (zh) 2019-08-22 2019-08-22 一种基于常通型sic器件串联结构的固态直流断路器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110518544A CN110518544A (zh) 2019-11-29
CN110518544B true CN110518544B (zh) 2020-08-07

Family

ID=68627300

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910777888.2A Active CN110518544B (zh) 2019-08-22 2019-08-22 一种基于常通型sic器件串联结构的固态直流断路器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110518544B (zh)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6952335B2 (en) * 2002-03-22 2005-10-04 Virginia Tech Intellectual Properties, Inc. Solid-state DC circuit breaker
CN105514929A (zh) * 2016-01-05 2016-04-20 南京航空航天大学 一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器
CN106159882B (zh) * 2016-07-13 2018-10-30 西安交通大学 一种基于SiC MOSFET的固态直流断路器及其控制方法
CN108092493B (zh) * 2017-12-26 2020-12-25 南京工程学院 一种SiC MOSFET串联电路

Also Published As

Publication number Publication date
CN110518544A (zh) 2019-11-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110635792B (zh) 一种基于短路电流抑制的SiC MOSFET短路保护电路及方法
TWI472154B (zh) 功率開關串聯電路及其控制方法
CN103219698B (zh) 一种混合式直流断路器
CN103219699B (zh) 一种高压混合式直流断路器
CN102290969B (zh) 一种绝缘栅双极性晶体管串联运行的均压控制电路
CN108092493B (zh) 一种SiC MOSFET串联电路
CN105514929A (zh) 一种基于常通型SiC器件的自供电直流固态断路器
CN104965136A (zh) 一种三电平变流器功率单元双脉冲测试方法
CN109962462B (zh) 一种基于串联开关的直流电网双向电流阻断电路
CN103683260A (zh) 一种igbt串联均压电路
CN101350613A (zh) 一种电子开关
CN110061726B (zh) 基于SiC JFET的串联型直流保护开关
CN206834981U (zh) 一种三电平igbt逆变器过流保护驱动电路
CN112086939A (zh) 一种机械开关并联的自然换流型直流断路器及控制方法
CN106026620A (zh) 基于hcpl-316j芯片的igbt驱动电路及开关电路
CN103441490A (zh) 一种多端直流系统用直流断路器及其控制方法
CN110429562B (zh) 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
CN104410394B (zh) 一种微网系统中基于igbt的固态快速开关的驱动保护电路
Ye et al. A novel hybrid DC circuit breaker based on precharged capacitors
CN113765076A (zh) 一种基于晶闸管的双向固态直流断路器
CN106787632B (zh) 一种SiC JFET串的多阶段驱动电路
CN110518544B (zh) 一种基于常通型sic器件串联结构的固态直流断路器
CN103023002B (zh) 一种基于查表法的数字化igbt串联均压电路
CN109066609B (zh) 一种基于级联SiC MOSFET的全固态直流断路器拓扑结构
CN203645319U (zh) 一种igbt串联均压电路

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant