CN111756359B - 一种具有多通道选通功能的混合型直流断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有多通道选通功能的混合型直流断路器，由若干个一入多出式断路模块组成，每个所述的一入多出式断路模块由一个输入端和两个以上相的输出端组成，输入端与输出端之间的干路上连接有半导体开关，每个输出端支路上均设置有机械开关，所述半导体开关和每个机械开关上均并联有缓冲电路，所述一入多出式断路模块内还设有驱动单元、时序调整单元和保护单元。所述驱动单元用于接收外部的驱动信号和控制信号并作用于驱动电路，以驱动机械开关和半导体开关的导通和关断；所述时序调整单元通过时序调整电路进行时序调整，以实现机械开关和半导体开关有序的导通和关闭；所述保护单元用于当外部故障信号进入保护模块时以启动保护机制。

Description

一种具有多通道选通功能的混合型直流断路器
技术领域
本发明涉及直流断路器领域，特别是涉及一种具有多通道选通功能的混合型直流断路器。
背景技术
传统直流断路器体积大，重量重，动作时间长；而纯电力电子开关成本高，损耗大，为此结合两者的优势，提出一种混合型直流断路器。首先，该直流断路器具有传统电力电子开关快速关断的能力，而开通速度由机械开关特效决定；其次，其输入和输出端口可以扩展，如实例中给出的是1输入，3输出的情况，从而可以实现多路选通和系统快速重构等特殊需求；再次，由于采用了高压半导体开关，相对低压的直流机械开关，可有效降低混合开关体积和成本。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种开关速度快、损耗小并且电流可双向流动的具有多通道选通功能的混合型直流断路器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种具有多通道选通功能的混合型直流断路器，由若干个一入多出式断路模块组成，每个所述的一入多出式断路模块由一个输入端和两个以上相的输出端组成，输入端与输出端之间的干路上连接有半导体开关，每个输出端支路上均设置有机械开关，所述半导体开关和每个机械开关上均并联有缓冲电路，所述一入多出式断路模块内还设有驱动单元、时序调整单元和保护单元。
进一步的，所述驱动单元用于接收外部的驱动信号和控制信号并作用于驱动电路，以驱动机械开关和半导体开关的导通和关断；所述时序调整单元通过时序调整电路进行时序调整，以实现机械开关和半导体开关有序的导通和关闭；所述保护单元用于当外部故障信号进入保护模块时以启动保护机制。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
1、混合式直流断路器，是实现电源系统双向开关控制的硬件基础和执行单元，体积小、重量轻、损耗较低、开关速度快以及架构合理，能够很好的匹配满足负载端的需求，操作简单，效率高。
2、该发明使用范围广、可操作性强，具有模块化、标准化和通用化的发展及应用，能有效解决现如今开关中存在的问题。
3、采用相对高压的半导体功率器件加相对低压的直流机械开关，可兼顾效率、成本和体积三个方面的应用需求；
附图说明
图1是本发明混合型直流断路器的结构示意图。
图2是一入三出式混合直流断路器结构示意图。
图3是一入三出式混合直流断路器简图。
图4是直流断路器闭合时序图。
图5是直流断路器断开时序图。
图6是机械开关和半导体开关的驱动时序控制图。
图7是二入四出式混合直流断路器简图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种具有体积小、重量轻、损耗较低、开关速度较快的具有多通道选通功能的混合型直流断路器。如图1所示，其由多个具有“一入多出式的断路器模块”组合而成。
对于断路器中单个“一入多出式断路器模块”的工作情况，现在以一输入三输出为例，具体描述其实现形式如下：
基于半导体功率开关器件和机械开关的一入三出混合型直流断路器，该模块集成由多管并联或功率模块(根据器件发展和需求而定)构成的半导体开关，为了降低断路器的成本和损耗，可以考虑采用高压低损半导体器件；采用低压大电流机械开关(如汽车继电器等)。根据实际应用需求，断路器内部可集成驱动，过流保护和过压保护与故障信号输出；同时，为了进一步提高其可靠性，内部还应集成缓冲电路以及动态/静态均压电路。本断路器可以流通双向直流电流，但为了简单，通常定义A为输入端，B\C\D为输出端，见图2和图3。
1、工作过程
闭合过程：如附图4，本实施例为了降低直流机械开关的成本和体积，建议采用低压大电流直流机械开关，如汽车继电器等，其直流耐压能力有限。为了避免直流机械开关承受高压而损坏，首先机械开关选通闭合，随后半导体开关再闭合。闭合延时时间需要长于机械开关动作所需时间。
断开过程：如附图5，本发明的断开过程，机械开关和半导体开关的控制信号同时给出。由于半导体开关器件开关速度更快，实际断开时，首先是半导体开关器件快速断开，随后是机械开关断开。因此整个断路器的断开时间可以达到us甚至ns量级。
2、信号处理模块
通过上面驱动电路的时序分析可以看出，开关模块开通时需要添加延时电路。其具体的信号处理示意图如下附图6所示。其中，ABC分别为三个机械开关的驱动信号，延时信号可根据ABC信号获得，并在此基础上驱动半导体功率器件的开通，延时时间长短根据直流机械开关的开通动作时间来确定。
3、开关模块
机械开关：可以使用继电器，通过对比现在市场上的各种继电器，固态继电器电流较小，不满足要求。汽车继电器，由于其体积更小，电流大，可以达到100A。所以在电力电子开关模块中，可以考虑使用汽车继电器等机械开关。
半导体开关：可以考虑根据器件发展和需求以及价格而定，可以考虑使用IGBT、SiC MOSFET、Si MOSFET等半导体器件。
4、其他单元
驱动电路单元：外部的驱动信号和控制信号，作用于驱动电路，将会驱动机械开关和半导体的导通和关断。
时序调整单元：由上述时序分析可知，机械开关和半导体开关的导通和关闭，需要通过时序调整电路，进行时序调整。
保护单元：当外部故障信号进入保护模块时，会启动保护机制，如：过压过流保护等，保护断路器的安全。
4、多输入的具体表现
通过组合单个“一入多出式断路器模块”可以构成如附图1所示的“多路输入多路输出的断路器”。以“2入4出”为例，如附图7所示。因此可以通过多个“一入多出式断路器模块”构成不同的断路器结构。
综上，并通过具体验证，得到本发明具有非常好的效果。
(1)本发明直流断路器体积很小，远小于传统直流断路器体积。
(2)该直流断路器的可以实现1路输入，3路输出，从而具有多路选通功能。
(3)该直流断路器的关断速度快，关断速度可以达到0.5-10uS以内，根据所选择的半导体开关器件类型不同，其关断时间有所区别。从而可以满足绝大部分的直流快速开关应用场景。
(4)采用半导体开关器件加低压直流机械开关的方式，可进一步降低直流断路器成本
(5)该直流断路器也可以实现“1入1出”“多入多出”等功能，如附图1。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种具有多通道选通功能的混合型直流断路器，其特征在于，由若干个一入多出式断路模块组成，每个所述的一入多出式断路模块由一个输入端和两个以上的输出端组成，输入端与输出端之间的干路上连接有半导体开关，每个输出端支路上均设置有机械开关，所述半导体开关和每个机械开关上均并联有缓冲电路，所述一入多出式断路模块内还设有驱动单元、时序调整单元和保护单元；闭合开关如下：机械开关选通闭合，随后半导体开关再闭合，闭合延时时间长于机械开关动作所需时间；断开过程如下：首先是半导体开关器件断开，随后是机械开关断开，整个断路器的断开时间为us或ns量级；所述驱动单元用于接收外部的驱动信号和控制信号并作用于驱动电路，以驱动机械开关和半导体开关的导通和关断；所述时序调整单元通过时序调整电路进行时序调整，以实现机械开关和半导体开关有序的导通和关闭；所述保护单元用于当外部故障信号进入保护模块时以启动保护机制。
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