CN112821372A - 一种提升直流固态断路器效率的正激回馈式吸收电路 - Google Patents

一种提升直流固态断路器效率的正激回馈式吸收电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提升直流固态断路器效率的正激回馈式吸收电路，涉及电力电子技术领域，包括分别并联在反向串联的第一主功率管和第二主功率管两端的电压尖峰吸收电路、正向储能电路、反向储能电路以及并联在电源两端的能量回馈电路，第一主功率管的第一端和第二主功率管的第二端分别连接电源两端，负载一端连接第二主功率管的第二端、另一端连接电源负极，电压尖峰吸收电路用于吸收电压尖峰，正向储能电路、反向储能电路在负载短路时用于储存能量，能量回馈电路用于将储存的能量反馈给电源。该电路在提供电压尖峰吸收功能的同时，使得能量回馈至电源，提升了直流固态断路器的效率。

Description

一种提升直流固态断路器效率的正激回馈式吸收电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其是一种提升直流固态断路器效率的正激回馈式吸收电路。
背景技术
SiC器件相较于Si器件而言具有更宽的禁带宽度、更高的热导率、更高的临界场强以及更快的电子迁移速率，在耐高温高压、开关速度、工作频率等方面优势明显，适用于高速高功率的应用场合。
现有的普通的RCD吸收电路或者MOV吸收电路的吸收效果相对较差，并且不能实现能量的有效利用。实际应用中，直接使用普通的吸收电路，断路器发热严重，使用寿命大大降低，绝缘制作困难。
目前已有文献中针对直流固态断路器的吸收电路优化提出了许多方法，其设计均在于电压尖峰抑制，没有体现出效率的提升。
发明内容
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种提升直流固态断路器效率的正激回馈式吸收电路，在提供电压尖峰吸收功能的同时，使得能量回馈至电源，提升了直流固态断路器的效率。
本发明的技术方案如下：
一种提升直流固态断路器效率的正激回馈式吸收电路，包括分别并联在反向串联的第一主功率管和第二主功率管两端的电压尖峰吸收电路、正向储能电路、反向储能电路以及并联在电源两端的能量回馈电路，第一主功率管的第一端和第二主功率管的第二端分别连接电源两端，负载一端连接第二主功率管的第二端、另一端连接电源负极，电压尖峰吸收电路用于吸收电压尖峰，正向储能电路、反向储能电路在负载短路时用于储存能量，能量回馈电路用于将储存的能量反馈给电源。
其进一步的技术方案为，第一主功率管和第二主功率管均包括MOS管和寄生二极管，寄生二极管的阳极连接MOS管的源极，寄生二极管的阴极连接MOS管的漏极，第一MOS管的漏极作为第一主功率管的第一端连接电源的正极，第二MOS管的漏极作为第二主功率管的第二端连接电源的负极，两个主功率管的源极相连、栅极连接第一控制电路，第一控制电路用于根据负载的电压控制MOS管的导通或关断；
电压尖峰吸收电路包括压敏电阻，压敏电阻的两端分别连接第一主功率管的第一端和第二主功率管的第二端，当检测到负载短路，且其中一个主功率管承受的电压超过压敏电阻的工作电压时，压敏电阻用于吸收主回路两端的电压尖峰。
其进一步的技术方案为，正向储能电路包括第一辅助功率管、第一原边耦合电感和第一限流电阻，若第一辅助功率管为第一IGBT模块，第一IGBT模块的集电极连接第一主功率管的第一端、发射极连接第一原边耦合电感的同名端，第一原边耦合电感的非同名端通过第一限流电阻连接第二主功率管的第二端，第一IGBT模块的门极连接第二控制电路，第二控制电路用于根据第一主功率管的电压大小控制第一IGBT模块第二IGBT模块的导通或关断；
当检测到负载正向短路，且第一主功率管承受的电压未达到压敏电阻的工作电压时，第二控制电路驱动第一IGBT模块导通，第一原边耦合电感储存能量，同时第一限流电阻进行限流，直至第一主功率管承受的电压超过压敏电阻的工作电压，则第二控制电路关断第一IGBT模块，正向储能电路退出工作。
其进一步的技术方案为，反向储能电路包括第二辅助功率管、第二原边耦合电感、第二限流电阻和第一二极管，若第二辅助功率管为第二IGBT模块，第二IGBT模块的发射极连接第一主功率管的第一端、集电极连接第二原边耦合电感的非同名端，第二原边耦合电感的同名端通过第二限流电阻连接第一二极管的阴极，第一二极管的阳极连接第二主功率管的第二端，第一二极管用于防止两个储能电路同时导通，第二IGBT模块的门极连接第二控制电路，第二控制电路用于根据第二主功率管的电压大小控制第二IGBT模块的导通或关断；
当检测到负载反向短路，且第二主功率管承受的电压未达到压敏电阻的工作电压时，第二控制电路驱动第二IGBT模块导通，第二原边耦合电感储存能量，同时第二限流电阻进行限流，直至第二主功率管承受的电压超过压敏电阻的工作电压，则第二控制电路关断第二IGBT模块，反向储能电路退出工作。
其进一步的技术方案为，能量回馈电路包括副边耦合电感和第二二极管，副边耦合电感的非同名端连接第二二极管的阳极、同名端连接电源的负极，第二二极管的阴极连接电源的负极；
当检测到负载短路，且其中一个主功率管承受的电压超过压敏电阻的工作电压时，副边耦合电感得到储能电路储存的能量，并通过第二二极管将储存的能量反馈给电源。
其进一步的技术方案为，第一辅助功率管和第二辅助功率管为IGBT模块、三极管或MOS管。
本发明的有益技术效果是：
当负载正向短路或反向短路时，压敏电阻发挥吸收主回路电压尖峰的同时，利用耦合电感进行能量的回馈，提高了系统的效率，且通过设置第一二极管防止两个储能电路同时导通，保证储能电路正常工作，该正激回馈式吸收电路防止了直流固态断路器发热严重，能够维持器件正常工作寿命。
附图说明
图1是本申请提供的电压尖峰吸收电路图。
图2是本申请提供的正向储能电路图。
图3是本申请提供的反向储能电路图。
图4是本申请提供的能量回馈电路图。
图5是本申请提供的正激回馈式吸收电路的整体电路图。
图6是本申请提供的负载正向短路的时序图。
图7是本申请提供的负载反向短路的时序图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
结合图1-5所示，本申请公开了一种提升直流固态断路器效率的正激回馈式吸收电路，包括分别并联在反向串联的第一主功率管Q1和第二主功率管Q2两端的电压尖峰吸收电路、正向储能电路、反向储能电路以及并联在电源两端的能量回馈电路，第一主功率管Q1的第一端和第二主功率管Q2的第二端分别连接电源UDC两端，负载LOAD一端连接第二主功率管Q2的第二端、另一端连接电源UDC负极。
结合图1、图5所示，第一主功率管Q1和第二主功率管Q2均包括MOS管和寄生二极管，寄生二极管的阳极连接MOS管的源极，寄生二极管的阴极连接MOS管的漏极，第一MOS管的漏极作为第一主功率管Q1的第一端连接电源UDC的正极，第二MOS管的漏极作为第二主功率管Q2的第二端连接电源UDC的负极，两个主功率管的源极相连、栅极连接第一控制电路，第一控制电路用于根据负载的电压控制MOS管的导通或关断。电压尖峰吸收电路用于吸收电压尖峰，具体的，电压尖峰吸收电路包括压敏电阻MOV，压敏电阻MOV的两端分别连接第一主功率管Q1的第一端和第二主功率管Q2的第二端。
结合图2、图3所示，正向储能电路、反向储能电路在负载LOAD短路时用于储存能量，具体的，正向储能电路包括第一辅助功率管、第一原边耦合电感L1和第一限流电阻R1，可选的，第一辅助功率管可以为第一IGBT模块、三极管、MOS管或其他开关管。若第一辅助功率管为第一IGBT模块S1，第一IGBT模块S1的集电极连接主回路的第一端、发射极连接第一原边耦合电感L1的同名端，第一原边耦合电感L1的非同名端通过第一限流电阻R1连接主回路的第二端，第一IGBT模块S1的门极连接第二控制电路。反向储能电路包括第二IGBT模块、第二原边耦合电感L2、第二限流电阻R2和第一二极管D1，可选的，第二辅助功率管可以为第二IGBT模块S2、三极管、MOS管或其他开关管。若第二辅助功率管为第二IGBT模块S2，第二IGBT模块S2的发射极连接主回路的第一端、集电极连接第二原边耦合电感L2的非同名端，第二原边耦合电感L2的同名端通过第二限流电阻R2连接第一二极管D1的阴极，第一二极管D1的阳极连接主回路的第二端，第一二极管D1用于防止两个储能电路同时导通，第二IGBT模块S2的门极连接第二控制电路，第二控制电路根据第一主功率管/第二主功率管的电压大小控制第一IGBT模块S1和第二IGBT模块S2的导通或关断。其中第一控制电路和第二控制电路是现有常规的开关控制电路，在此不再赘述其详细结构。
如图4所示，能量回馈电路用于将储存的能量反馈给电源，具体的，能量回馈电路包括副边耦合电感L3和第二二极管D2，副边耦合电感L3的非同名端连接第二二极管D2的阳极、同名端连接电源UDC的负极，第二二极管D2的阴极连接电源UDC的负极。
结合图6、图7所示，正激回馈式吸收电路的工作原理为：
当直流固态断路器检测到负载LOAD正向短路，且第一主功率管Q1承受的电压未达到压敏电阻MOV的工作电压U1时，第二控制电路驱动第一IGBT模块S1导通，第一原边耦合电感L1储存能量，同时第一限流电阻R1进行限流防止出现短路状况，当第一主功率管Q1承受的电压超过压敏电阻MOV的工作电压U1时，第二控制电路控制第一IGBT模块S1关断，正向储能电路退出工作，压敏电阻MOV开始吸收第一主功率管Q1两端的电压尖峰，同时副边耦合电感L3得到储能电路(也即第一原边耦合电感L1)储存的能量，并通过第二二极管D2将储存的能量反馈给电源UDC。
当直流固态断路器检测到负载LOAD反向短路，且第二主功率管Q2承受的电压未达到压敏电阻MOV的工作电压U1时，第二控制电路驱动第二IGBT模块S2导通，第二原边耦合电感L2储存能量，同时第二限流电阻R2进行限流防止出现短路状况，当第二主功率管Q2承受的电压超过压敏电阻MOV的工作电压U1时，第二控制电路控制第二IGBT模块S2关断，反向储能电路退出工作，压敏电阻MOV开始吸收第二主功率管Q2两端的电压尖峰，同时副边耦合电感L3得到储能电路(也即第二原边耦合电感L2)储存的能量，并通过第二二极管D2将储存的能量反馈给电源UDC。
使用该正激回馈式吸收电路当负载故障短路时，压敏电阻发挥吸收主回路电压尖峰的同时，利用耦合电感进行能量的回馈，不仅提高了系统的效率，还防止了直流固态断路器发热严重，能够维持器件正常工作寿命。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种提升直流固态断路器效率的正激回馈式吸收电路，其特征在于，包括分别并联在反向串联的第一主功率管和第二主功率管两端的电压尖峰吸收电路、正向储能电路、反向储能电路以及并联在电源两端的能量回馈电路，所述第一主功率管的第一端和第二主功率管的第二端分别连接所述电源两端，负载一端连接所述第二主功率管的第二端、另一端连接电源负极，所述电压尖峰吸收电路用于吸收电压尖峰，所述正向储能电路、反向储能电路在所述负载短路时用于储存能量，所述能量回馈电路用于将储存的能量反馈给所述电源。
2.根据权利要求1所述的提升直流固态断路器效率的正激回馈式吸收电路，其特征在于，所述第一主功率管和第二主功率管均包括MOS管和寄生二极管，所述寄生二极管的阳极连接所述MOS管的源极，所述寄生二极管的阴极连接所述MOS管的漏极，第一MOS管的漏极作为所述第一主功率管的第一端连接所述电源的正极，第二MOS管的漏极作为所述第二主功率管的第二端连接所述电源的负极，两个主功率管的源极相连、栅极连接第一控制电路，所述第一控制电路用于根据负载的电压控制所述MOS管的导通或关断；
所述电压尖峰吸收电路包括压敏电阻，所述压敏电阻的两端分别连接所述第一主功率管的第一端和第二主功率管的第二端，当检测到所述负载短路，且其中一个主功率管承受的电压超过所述压敏电阻的工作电压时，所述压敏电阻用于吸收所述主回路两端的电压尖峰。
3.根据权利要求1所述的提升直流固态断路器效率的正激回馈式吸收电路，其特征在于，所述正向储能电路包括第一辅助功率管、第一原边耦合电感和第一限流电阻，若所述第一辅助功率管为第一IGBT模块，所述第一IGBT模块的集电极连接所述第一主功率管的第一端、发射极连接所述第一原边耦合电感的同名端，所述第一原边耦合电感的非同名端通过所述第一限流电阻连接所述第二主功率管的第二端，所述第一IGBT模块的门极连接第二控制电路，所述第二控制电路用于根据所述第一主功率管的电压大小控制所述第一IGBT模块第二IGBT模块的导通或关断；
当检测到所述负载正向短路，且所述第一主功率管承受的电压未达到所述压敏电阻的工作电压时，所述第二控制电路驱动所述第一IGBT模块导通，所述第一原边耦合电感储存能量，同时所述第一限流电阻进行限流，直至所述第一主功率管承受的电压超过所述压敏电阻的工作电压，则所述第二控制电路关断所述第一IGBT模块，所述正向储能电路退出工作。
4.根据权利要求1所述的提升直流固态断路器效率的正激回馈式吸收电路，其特征在于，所述反向储能电路包括第二辅助功率管、第二原边耦合电感、第二限流电阻和第一二极管，若所述第二辅助功率管为所述第二IGBT模块，所述第二IGBT模块的发射极连接所述第一主功率管的第一端、集电极连接所述第二原边耦合电感的非同名端，所述第二原边耦合电感的同名端通过所述第二限流电阻连接所述第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极连接所述第二主功率管的第二端，所述第一二极管用于防止两个储能电路同时导通，所述第二IGBT模块的门极连接第二控制电路，所述第二控制电路用于根据所述第二主功率管的电压大小控制所述第二IGBT模块的导通或关断；
当检测到所述负载反向短路，且所述第二主功率管承受的电压未达到所述压敏电阻的工作电压时，所述第二控制电路驱动所述第二IGBT模块导通，所述第二原边耦合电感储存能量，同时所述第二限流电阻进行限流，直至所述第二主功率管承受的电压超过所述压敏电阻的工作电压，则所述第二控制电路关断所述第二IGBT模块，所述反向储能电路退出工作。
5.根据权利要求1所述的提升直流固态断路器效率的正激回馈式吸收电路，其特征在于，所述能量回馈电路包括副边耦合电感和第二二极管，所述副边耦合电感的非同名端连接所述第二二极管的阳极、同名端连接所述电源的负极，所述第二二极管的阴极连接所述电源的负极；
当检测到所述负载短路，且其中一个主功率管承受的电压超过压敏电阻的工作电压时，所述副边耦合电感得到储能电路储存的能量，并通过所述第二二极管将储存的能量反馈给所述电源。
6.根据权利要求3或4所述的提升直流固态断路器效率的正激回馈式吸收电路，其特征在于，第一辅助功率管和第二辅助功率管为IGBT模块、三极管或MOS管。
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