CN112311366B - 基于阴极短路栅控晶闸管的隔离型双向直流固态断路器 - Google Patents

Abstract

本发明属于电子技术领域，具体的说涉及基于阴极短路栅控晶闸管的隔离型双向直流固态断路器。本发明包括主回路、保护回路、监测单元和栅极控制单元。其中，主回路包括第一直流电源V₁和第二直流电源V₂、第一CS‑MCT和第二CS‑MCT、第一二极管(D₁)和第二二极管、变压器第一次级线圈和第二次级线圈；保护回路包括第三CS‑MCT、第一电阻和第二电阻、电容、变压器原线圈；监测单元包括霍尔电流传感器和电压比较器。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，引入变压器来隔离保护回路和主回路，同时结合监测单元和栅极控制单元来实现故障电流的迅速中断。与传统固态断路器相比，不仅可以中断双向电流，还具有功耗低、可靠性高、响应速度快的优势。

Description

基于阴极短路栅控晶闸管的隔离型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)的隔离型双向直流固态断路器。

背景技术

随着经济的发展和科技的进步，人们对电能的需求与日俱增，为满足不断增长的用电需求以及对供电质量不断提高的要求，直流供配电系统逐渐兴起和发展。与传统的交流配电相比，直流供配电具有线路损耗低、可靠性高等特点，并且可以充分发挥风力、太阳能等可再生能源的价值，在提高供电的效率的同时，也能达到保护环境的效果。如今，直流配电系统在如舰船、航空等领域取得初步应用，在商业、工业和住宅建筑中也受到广泛关注，同时，在数据中心等关键性负载领域中，直流配电系统也具有广泛的应用前景。

但如何使直流配电具有有效的短路保护措施仍具有研究价值。这是由于直流配电网络的阻抗小，一旦发生故障短路，电流上升很快，极容易对系统的安全性造成破坏。同时，和传统的交流配电相比，直流配电系统无电压过零点，短路故障难以被有效消除。断路器是输配电线路中接通和断开负载的一个关键器件，其主要功能是在系统发生故障时迅速有效地将故障支路从系统中切除，从而保证系统的安全可靠工作。对于传统的交流配电系统，往往采用传统的机械式断路器(Mechanical Circuit Breaker,MCB)。但由于MCB具有响应速度慢、工作时会产生电弧等弊端，而且在直流配电的短路故障中产生的高脉冲电流会使MCB工作状态不可控甚至损坏，因此传统的MCB难以满足直流配电中保护系统的需求。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)应运而生，相对于传统的MCB，其响应时间短、寿命长、无电弧且可靠性更高，因此SSCB应用于直流配电系统有很大的优势及潜力。

但由于功率半导体器件在工作过程中存在开关损耗和导通损耗，因此相对于MCB中的机械式开关，SSCB中功率半导体器件带来的损耗较高。功率半导体器件中，功率晶闸管(SCR)具有较低的导通压降，但由于其是半控型器件，晶闸管开启后不能有效关断，因此需要较为复杂的电路设计。应用较为广泛的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是全控型器件，但由于其器件结构的限制，导通压降较大。此外，碳化硅(SiC)功率器件的导通损耗较低，但其应用受到成本的限制。在电路结构方面，目前断路器大多为单向结构，难以满足日益发展的直流配电网络的需要(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)。同时，由于现有的一些双向断路器没有把换流回路和主回路电流隔离开(申请号：201911098557.2)，导致在消除故障时会产生一个较大的浪涌电流，并影响主回路，容易使源端和负载端的器件过流，从而导致器件性能退化甚至损坏，可靠性低。

发明内容

根据以上问题，本发明提出了一种基于阴极短路栅控晶闸管(CS-MCT)的隔离型双向直流固态断路器。CS-MCT器件为压控型器件，其驱动电路简单，且其结构中寄生的晶闸管结构使其具有较低的导通压降。同时本发明通过变压器的引入，使保护回路和主回路间电磁耦合而电流隔离，消除了断路器工作时的浪涌电流，提高了系统的可靠性。本发明采用通态功耗低、驱动电路简单的功率器件，通过引入变压器实现了一种功耗低、可靠性高、响应速度快、电路结构简单的隔离型双向直流固态断路器。

本发明的技术方案为：

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、保护回路、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)、变压器第一次级线圈(N₂)和第二次级线圈(N₃)；所述的保护回路包括第三CS-MCT(T₃)、第一电阻(R₁)和第二电阻(R₂)、电容(C)、变压器原线圈(N₁)；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)和变压器第一次级线圈(N₂)串联，并和第一二极管(D₁)反向并联组成第一开关对，第二CS-MCT(T₂)和变压器第二次级线圈(N₃)串联，并和第二二极管(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；所述的变压器第一次级线圈(N₂)同名端与第一CS-MCT(T₁)的阴极相连，所述的变压器第二次级线圈(N₃)同名端与第二CS-MCT(T₂)的阴极相连；所述的第一二极管(D₁)的阳极连接到第一直流电源V₁的正极；所述的第二二极管(D₂)的阳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)的阳极连接在一起；所述的第一电阻(R₁)的另一端分别和电容(C)及第二电阻(R₂)连接在一起；所述的电容(C)的另一端与第三CS-MCT(T₃)的阴极和第一直流电源V₁及第二直流电源V₂的负极连接在一起；所述的第二电阻(R₂)的另一端与变压器原线圈(N₁)的同名端连接在一起；所述的变压器原线圈(N₁)另一端与第三CS-MCT(T₃)的阳极连在一起；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入端；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)的栅极。

进一步的，本发明的通过变压器的引入来实现保护回路和主回路间的电磁耦合，同时第一电阻(R₁)选取远大于负载电阻的阻值，来使保护回路和主回路间电流隔离，这消除了断路器工作时的浪涌电流，避免了过流对主回路源端和负载端器件造成的性能退化甚至损坏，有利于提高系统的可靠性。

进一步的，所述的监测单元对主回路的电流进行监测，其输出信号接入栅极控制模块，以便于对第一CS-MCT(T₁)、第二CS-MCT(T₂)、第三CS-MCT(T₃)的开启和关断进行控制。

进一步的，本发明中采用的CS-MCT中具有寄生的晶闸管结构，可以极大降低器件的导通损耗。同时，CS-MCT中寄生晶闸管的开启使其具有较大的di/dt，因此其响应时间短。此外，和流控型器件相比，CS-MCT驱动简单，有利于减小电路的复杂度。

本发明的有益效果为，相对于基于IGBT的断路器，本发明断路器具有较低的功率损耗；相对于基于晶闸管的断路器，本发明具有更简化的电路结构及更快的响应速度；相对于一般的双向直流断路器，本发明将保护回路和主回路电流隔离，具有更高的可靠性。

附图说明

图1是本发明中的一种基于CS-MCT的隔离型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和主流半导体器件的正向导通曲线比较图；

图5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的隔离型双向直流断路器的电路拓扑图，包括主回路、保护回路、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，T₃处于关断状态；当主回路中电流流经D₂和T₁时，电流同时通过V₂-D₂-R₁-C回路给电容C预充上和V₂一样的电压，电压极性为上正下负。当短路故障发生在左端口时(短路故障发生于右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。与此同时，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同时开启T₃。此时电容C通过C-R₂-N₁-T₃回路放电，在该回路中，N₁上的电流从同名端流入，因此在次级线圈N₂上感应出由异名端流入，同名端流出的电流，即电流流经N₂的方向与短路电流相反。由于该放电电流的上升率比短路电流的上升率更大，因此T₁可以天然关断，有效且迅速地将故障切断。在该过程中，由于R₁电阻较大，保护回路电流经R₁流向主回路的电流极小，可认为主回路与保护回路电流隔离。T₁关断后，电容C通过回路C-R₂-N₁-T₃进行谐振，回路电流减小至小于T₃的最大可关断电流时，T₃关断。在这之后，电容C通过回路V₂-D₂-R₁-C重新预充上和直流电源V₂一样的电压，电压极性为上正下负，以便于进行下一次保护。

图3为CS-MCT的结构示意图。CS-MCT具有寄生的晶闸管结构，该结构的触发电流远小于器件的额定电流，晶闸管一旦被触发，会极大降低器件的导通压降，从而减小导通损耗。晶闸管开启时具有较大的di/dt，有利于提高响应速度。同时，由于CS-MCT为压控器件，相比于SCR等流控型器件，其驱动更加简单。

图4为CS-MCT和商用主流器件的导通特性比较图。在导通电流为50A的情况下，1200V/50A IGBT(IKQ50N120CT2)的导通压降为1.75V，1200V/50A可控硅(TXN625RG)的导通压降为1.3V。而本发明采用的CS-MCT的导通压降约为1.1V，比上述的两种商业化主流半导体器件的导通压降更低。因此，基于CS-MCT的直流固态断路器的损耗更低，效率更高。

图5为本发明的直流固态断路器在直流电压为100V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15A的短路电流。

Claims (4)

1.基于阴极短路栅控晶闸管的隔离型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)、变压器第一次级线圈(N₂)、变压器第二次级线圈(N₃)、第三CS-MCT(T₃)、第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、电容(C)、变压器原线圈(N₁)、霍尔电流传感器、电压比较器和栅极控制单元；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)、变压器第一次级线圈(N₂)和变压器第二次级线圈(N₃)构成主回路；第三CS-MCT(T₃)、第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、电容(C)、变压器原线圈(N₁)构成保护回路；霍尔电流传感器和电压比较器构成监测单元；

所述的第一CS-MCT(T₁)和变压器第一次级线圈(N₂)串联，并和第一二极管(D₁)反向并联组成第一开关对，第二CS-MCT(T₂)和变压器第二次级线圈(N₃)串联，并和第二二极管(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；所述的变压器第一次级线圈(N₂)同名端与第一CS-MCT(T₁)的阴极相连，所述的变压器第二次级线圈(N₃)同名端与第二CS-MCT(T₂)的阴极相连；所述的第一二极管(D₁)的阳极连接到第一直流电源V₁的正极；所述的第二二极管(D₂)的阳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)的阳极连接在一起；所述的第一电阻(R₁)的另一端分别和电容(C)及第二电阻(R₂)连接在一起；所述的电容(C)的另一端与第三CS-MCT(T₃)的阴极和第一直流电源V₁及第二直流电源V₂的负极连接在一起；所述的第二电阻(R₂)的另一端与变压器原线圈(N₁)的同名端连接在一起；所述的变压器原线圈(N₁)另一端与第三CS-MCT(T₃)的阳极连在一起；主回路电流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；所述电压比较器的另一输入端连接比较电压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)的栅极。

2.根据权利要求1所述的基于阴极短路栅控晶闸管的隔离型双向直流固态断路器，其特征在于，第一电阻(R₁)选取远大于负载电阻的阻值，使保护回路和主回路间电流隔离。

3.根据权利要求2所述的基于阴极短路栅控晶闸管的隔离型双向直流固态断路器，其特征在于，监测单元对主回路的电流进行监测，其输出信号接入栅极控制模块，用于对第一CS-MCT(T₁)、第二CS-MCT(T₂)、第三CS-MCT(T₃)的开启和关断进行控制。

4.根据权利要求3所述的基于阴极短路栅控晶闸管的隔离型双向直流固态断路器，其特征在于，所述第一CS-MCT(T₁)、第二CS-MCT(T₂)、第三CS-MCT(T₃)中具有寄生的晶闸管结构。

Images