CN110768651A - 一种基于阴极短路栅控晶闸管的双向直流固态断路器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子技术领域，具体的说涉及一种基于阴极短路栅控晶闸管的双向直流固态断路器。本发明主要包括由第一直流电源V₁和第二直流电源V₂、第一CS‑MCT(T₁)和第二CS‑MCT(T₂)、第一二极管(D₁)和第二二极管(D₂)构成的主回路、由第三CS‑MCT(T₃)和第四CS‑MCT(T₄)，第一电阻(R₁)和第二电阻(R₂)，换流电容(C)，电感(L)，第三电阻(R)构成的换流回路、由霍尔电流传感器和电压比较器构成的监测单元和栅极控制单元。其特点是：采用具有低导通电阻、高di/dt能力的CS‑MCT作为半导体开关，结合监测单元和栅极控制单元可以实现故障电流的迅速中断。与传统固态断路器相比，基于CS‑MCT的固态短路器不仅具有中断双向电流的能力，而且具有功耗低，响应速度快的优势。

Description

一种基于阴极短路栅控晶闸管的双向直流固态断路器

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体的说涉及一种基于阴极短路栅控晶闸管(Cathode-Short MOS-Controlled Thyristor，简称：CS-MCT)的双向直流固态断路器。

背景技术

面对经济社会的快速发展，社会对各类能源的需求在不断增大。而电能作为当今信息化时代的“血液”，为推动经济与科技水平的进步提供动力。同时，用户对电力系统提出了很多新的要求:环境友好性、安全可靠性的提升、更加优质经济且支持用户进行与电网的双向互动等等。目前，基于光伏、风、电为代表的可再生清洁能源因较小的环境代价而备受瞩目。为了更加充分和灵活的利用上述清洁能源以满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率等，直流输(配)电网络应运而生且迅速发展。与传统交流输(配)电相比:采用直流输(配)电网络不仅可将可再生能源与传统能源广域互联,充分提高可再生能源的利用率,而且可降低线路损耗,增加传输容量与传输距离,同时解决系统同步运行的稳定性问题。

由于直流输(配)电网络由于系统阻抗小，一旦发生故障短路，电流上升快、峰值高，极容易对系统的安全性造成破坏。同时，和传统交流输(配)电相比，直流输(配)电网络缺乏电压过零点，导致短路故障难以被有效消除。上述情况均对直流断路器的各项性能提出较高的要求。传统的机械式断路器(Mechanical Circuit Breaker,MCB)在故障中断的过程会产生电弧，导致接触头出现烧蚀现象，影响其工作寿命；同时，MCB相应时间较长，难以满足直流应用下的速度要求。随着半导体行业的发展，基于功率半导体器件的固态断路器(Solid State Circuit Breaker，SSCB)由于具有较短的响应时间、更长的寿命和便于智能化的监控等优势而备受关注。

然而，与MCB相比，SSCB主要的缺点就是功耗较大。由于SSCB的功耗主要来自于功率器件的导通功耗。目前主流的SSCB主要是以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为开关器件，但是IGBT导通时候由于发射极侧反偏PN结的存在，导通压降较大。此外，具有低导通压降的晶闸管(SCR)也被用于SSCB应用中。但是由于晶闸管属于流控型器件，其驱动和保护的设计较为复杂。基于SiC、GaN的宽禁带半导体器件具有低导通功耗，但是其应用受到了器件可靠性和成本的限制。另一方面，目前大多数断路器都是单向结构，已经满足不了日益发展的直流输(配)电网络的需要(申请号：201510858644.9)。而一些双向断路器则存在电路结构复杂、驱动控制困难等特点(申请号：201610630952.0)。这些都制约了直流输(配)电网络的发展。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种基于阴极短路栅控晶闸管(CS-MCT)的双向直流固态断路器。由于CS-MCT内部存在阴极短路的晶闸管结构，使得CS-MCT具有较小的导通压降。本发明就是利用驱动简单、导通功耗低、可靠性高的硅基功率器件，并匹配以结构简单的断路器拓扑与驱动策略，实现了一种功耗低、响应速度快、成本低、体积小的直流固态断路器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种基于CS-MCT的双向直流固态断路器，断路器的拓扑结构如图1；本发明断路器包括主回路、换流回路、监测单元和栅极控制单元。所述的主回路包括第一直流电源V₁和第二直流电源V₂、第一CS-MCT(T₁)和第二CS-MCT(T₂)、第一二极管(D₁)和第二二极管(D₂)；所述的换流回路包括第三CS-MCT(T₃)和第四CS-MCT(T₄)，第一电阻(R₁)和第二电阻(R₂)，换流电容(C)，电感(L)，第三电阻(R)；所述的监测单元包括霍尔电流传感器和电压比较器。其特征在于：所述的第一CS-MCT(T₁)和第一二极管(D₁)反向并联组成第一开关对，第二CS-MCT(T₂)和第二二极管(D₂)反向并联组成第二开关对；所述的第一开关对和第二开关对通过反向串联的形式连接在一起组成双向开关；所述的第一CS-MCT(T₁)的阴极连接到第一直流电源V₁的正极；所述的第二CS-MCT(T₂)的阴极连接到第二直流电源V₂的正极；所述的第一电阻(R₁)的一端分别与第一二极管(D₁)的阴极、第一二极管(D₁)的阴极、第一CS-MCT(T₁)的阳极、第二CS-MCT(T₂)的阳极和第三CS-MCT(T₃)的阳极连接在一起；所述的第一电阻(R₁)的另一端分别与电感(L)的一端和第四CS-MCT(T₄)的阳极连接在一起；所述的电感(L)的另一端与第三电阻(R)的一端连接在一起；所述的第三电阻(R)的另一端与换流电容(C)的一端连接在一起，所述的换流电容(C)的另一端分别与第三CS-MCT(T₃)的阴极和第二电阻(R₂)的一端连接在一起；所述的第二电阻的另一端与所述的第四CS-MCT(T₄)的阴极一同连接到第一直流电源V₁和第一直流电源V₂的负极；所述的主回路电流线穿过霍尔电流传感器；所述的霍尔电流传感器的输出端连接到电压比较器的输入端；所述的比较电压V_T连接到电压比较器的另一输出端；所述的电压比较器的输出端连接到栅极控制单元的输入端；所述的栅极控制单元的输出端连接到第一CS-MCT(T₁)、第二CS-MCT(T₂)、第三CS-MCT(T₃)和第四CS-MCT(T₄)的栅极。

进一步的，栅极控制单元可以根据电流监测单元的输出信号和内部预设的触发保护信号的比较结果对第一CS-MCT(T₁)、第二CS-MCT(T₂)、第三CS-MCT(T₃)和第四CS-MCT(T₄)进行控制。且预设的触发保护信号可以根据具体应用场合进行设置。

进一步的，本发明采用的电路拓扑紧凑，仅需较少的无源器件和功率器件，且换流电容C可以通过主回路的直流电源进行预充电，无需额外充电电源，从而大大减低了断路器的成本和体积。

进一步的，本发明的换流回路仅需要一个信号便能触发电路保护，结合CS-MCT的压控特点，大大简化了监测单元和栅极控制单元的复杂度，提升力断路器的响应速度和分断电流的可靠性。

进一步的，本发明采用的CS-MCT具有极高的di/dt能力和极低的导通压降，可以大大优化断路器的效率并且降低分断时间。

本发明的有益效果为，本发明断路器具有较低的功率损耗，且与基于晶闸管的断路器相比，本发明具有更紧凑的电路、更简单的驱动控制和更快的响应速度；与基于宽禁带器件的断路器相比，本发明具有更高的可靠性和更低的成本。

附图说明

图1是本发明中的一种基于CS-MCT的双向直流断路器的电路拓扑图；

图2是本发明中断路器的工作波形示意图；

图3是本发明中CS-MCT的结构示意图；

图4是CS-MCT的耐压测试曲线图；

图5是CS-MCT和数种具有相似额定电流的主流半导体器件的正向导通测试比较图；

图6是本发明中断路器的瞬态特性测试图；

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案：

如图1所示，为本发明的一种基于CS-MCT的双向直流断路器的电路拓扑图，包括主回路、换流回路、监测单元和栅极控制单元。该电路的基本工作原理为：

如图2所示，当直流系统处于正常工作状态时，T₁处于导通状态，T₃和T₄处于关断状态；电流一方面流经主回路，另一方面通过V₁-D₁-R₁-L-R-C-R₂回路给换流电容C预充上和V₁一样的电压，电压极性为右正左负。当短路故障发生在右端口时(短路故障发生于左端口的情况与其一致)，主回路的短路电流将会急剧上升，其上升速率取决于直流电源电压和短路阻抗。于此同时，由于主回路电流上升，使得霍尔电流传感器的输出电压信号增大。当增大到超过预设电压值时，则会触发栅极驱动模块工作，关闭T₁，且同时开启T₃和T₄。从而换流电容C通过回路C-R-L-T₄-T₁-D₁-T₃放电，此电流流经T₁的方向与短路电流相反。由于，放电电流的上升率比短路电流的上升率更大，所以迫使T₁上的下降到零，因此T₁可以天然关断，有效且迅速地将故障切断。T₁关断后，换流电容C通过回路C-R-L-T₄-V₁-D₁-T₃进行谐振。直到该回路上电流下降到T₃和T₄最大可关断电流的能力范围内，则T₃和T₄关断。在这之后，换流电容C通过回路V₁-D₁-R₁-L-R-C-R₂重新预充上和直流电源V₁一样的电压，电压极性为右正左负，为下一次断路保护做准备。

在系统正常工作过程中，断路器上产生的功耗绝大部分是来自固态开关器件的导通功耗和驱动功耗。因此需要通过对固态开关器件的功耗优化，来提升断路器的效率。图3为CS-MCT的结构示意图。由于CS-MCT具有绝缘栅的压控特性，相比于流控型器件(如SCR)，CS-MCT具有更加简单的驱动电路。同时，CS-MCT内部具有寄生晶闸管结构，且该结构在CS-MCT导通时会被触发开启，因此CS-MCT在导通时具有低阻特性。图4为CS-MCT的耐压测试曲线图。可以看出CS-MCT的耐压达到1348V。图5为CS-MCT和数种具有相似额定电流的商用主流器件的导通特性比较图。在导通电流为25A的情况下，1200V/25A IGBT(IKW25N120T2)的导通压降为1.7V，1200V/26A 碳化硅(SiC)MOSFET(IMW120R060M1H)的导通压降为1.5V，1200V/25A 可控硅(TN4050-12PI)的导通压降为1.3V。而本发明采用的CS-MCT的导通压降为1.1V，比上述的数种商业化主流半导体器件的导通压降更低。这意味着基于CS-MCT的直流固态断路器具有更高的效率。图6给出了本发明的直流固态断路器在直流电压为600V时的瞬态测试结果，可以看出本发明断路器可以在微秒量级的时间内切断接近200A的短路电流。

Claims (2)

1.一种基于阴极短路栅控晶闸管的双向直流固态断路器，其特征在于，包括第一直流电源V₁、第二直流电源V₂、第一CS-MCT(T₁)、第二CS-MCT(T₂)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三CS-MCT(T₃)、第四CS-MCT(T₄)、第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、第三电阻(R)、换流电容(C)、电感(L)、霍尔电流传感器和电压比较器；

所述第一CS-MCT(T₁)和第一二极管(D₁)反向并联组成第一开关对，第二CS-MCT(T₂)和第二二极管(D₂)反向并联组成第二开关对，第一开关对和第二开关对通过反向串联的形式连接在一起组成双向开关；所述第一CS-MCT(T₁)的阴极连接第一直流电源V₁的正极；所述第二CS-MCT(T₂)的阴极连接第二直流电源V₂的正极；所述第一电阻(R₁)的一端分别与第一二极管(D₁)的阴极、第一二极管(D₁)的阴极、第一CS-MCT(T₁)的阳极、第二CS-MCT(T₂)的阳极和第三CS-MCT(T₃)的阳极连接，第一电阻(R₁)的另一端分别与电感(L)的一端和第四CS-MCT(T₄)的阳极连接；所述电感(L)的另一端与第三电阻(R)的一端连接，第三电阻(R)的另一端与换流电容(C)的一端连接，换流电容(C)的另一端分别与第三CS-MCT(T₃)的阴极和第二电阻(R₂)的一端连接；所述第二电阻的另一端与所述第四CS-MCT(T₄)的阴极一同连接到第一直流电源V₁和第一直流电源V₂的负极；第二CS-MCT(T₂)与第二直流电源V₂的连线穿过霍尔电流传感器，霍尔电流传感器的输出端连接到电压比较器的一个输入端，电压比较器的另一输出端连接比较电压V_T，电压比较器的输出端连接到栅极控制单元的输入端；所述的栅极控制单元的输出端连接到第一CS-MCT(T₁)、第二CS-MCT(T₂)、第三CS-MCT(T₃)和第四CS-MCT(T₄)的栅极；

第一直流电源V₁、第二直流电源V₂、第一CS-MCT(T₁)、第二CS-MCT(T₂)、第一二极管(D₁)和第二二极管(D₂)构成主回路，在正常工作时，第一CS-MCT(T₁)导通，第三CS-MCT(T₃)和第四CS-MCT(T₄)关断；

第三CS-MCT(T₃)、第四CS-MCT(T₄)、第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、换流电容(C、电感(L)和第三电阻(R)构成换流回路，在正常工作时，通过第一直流电源V₁、第一二极管(D₁)、第一电阻(R₁)、电感(L)、第三电阻(R)、换流电容(C)和第二电阻(R₂)构成的回路给换流电容(C)预充上和第一直流电源V₁一样的电压；

霍尔电流传感器和电压比较器构成监测单元，发生短路后，主回路的电流上升，使得霍尔电流传感器的输出电压信号增大，当增大到超过预设比较电压V_T时，则会触发栅极驱动模块工作，关闭第一CS-MCT(T₁)，并开启第三CS-MCT(T₃)和第四CS-MCT(T₄)，此时换流回路通过换流电容(C)、第三电阻(R)、电感(L)、第四CS-MCT(T₄)、第一CS-MCT(T₁)、第一二极管(D₁)和第三CS-MCT(T₃)构成的回路放电，放电电流流经第一CS-MCT(T₁)的方向与短路电流相反。

2.根据权利要求1所述的一种基于阴极短路栅控晶闸管的双向直流固态断路器，其特征在于：栅极控制单元根据电流监测单元的输出信号和内部预设的触发保护信号的比较结果对第一CS-MCT(T₁)、第二CS-MCT(T₂)、第三CS-MCT(T₃)和第四CS-MCT(T₄)进行控制。

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