CN113054630A - 基于Si IGBT器件与SiC JFET器件并联组合设计的直流开断装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于Si IGBT器件与SiC JFET器件并联组合设计的直流开断装置及控制方法，直流开断装置包含依次电连接的采样模块、光耦隔离模块、单片机控制模块、驱动模块、主开关模块；其中，所述采样模块与主电路相连，所述主开关模块与主电路相连；其控制方法为单片机控制模块根据主电路电流信号与单片机控制模块设定阈值关系进行配电系统状态判断；驱动模块根据单片机控制模块电路状态判断结果驱动主开关模块器件动作。解决了常通型SiC JFET器件在关断过程中承受过电压情况，多个SiC JFET器件关断时不能同时关断的问题。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种基于Si IGBT器件与SiC JFET器件并联组合设计的直流开断装置及控制方法。
背景技术
现有分布式可再生电源大多以输出直流电为主，同时配网末端负荷也多采用直流供电，因此中低压直流配电系统有望成为未来发展趋势。而快速可靠的直流开断技术作为中低压直流配用电系统的关键之一，是保证系统能够安全可靠运行的重要保障。现有的直流断路器有机械式、混合式与全固态三种。
其中，机械式直流断路器内部存在机械开关，使得开断时间在几十毫秒及以上，导致断路器不能快速切断短路电流和隔离故障点，容易扩大事故面积，难以满足直流断路器快速性需求。除此之外，机械式直流断路器由于只具备电流过零才能开断的能力，因此需要借助辅助电路才能实现开断，并且机械式开关关断过程中产生的电弧会释放极高热量损伤触头，使得触头使用寿命严重缩短，降低了机械式直流断路器可靠性。
混合式直流断路器换流过程分为自然换流与强制换流两种。其中采用自然换流的混合式断路器，由于依靠机械开关的电弧电压实现换流，因此仍存在燃弧现象。采用强迫换流的混合式断路器，是利用主电路接入电力电子器件实现换流，使断路器结构更加复杂，并且会增加断路器体积。
现有的全固态直流断路器一般由宽禁带器件组成主回路，虽然具有快速开断、通态损耗小等优点。但是由于宽禁带器件耐压水平有限，通常需要将宽禁带器件进行串联扩容，以满足应用需求。当系统发生短路时，为实现全固态断路器关断，必然要控制多个串联器件同时关断，但每个器件总会因其自身存在微小差异，导致控制不完全同步，一旦发生某一个器件先行关断，会导致其承受过电压而失效。因此，为了实现全固态断路器中所有器件同步关断，这就必然提高全固态断路器控制模块的复杂度，并且可靠性难以保障。
发明内容
本发明提供基于Si IGBT器件与SiC JFET器件并联组合设计的直流开断装置及控制方法，解决现有直流断路器在直流配电系统中切断短路电流和隔离故障点时存在燃弧现象，快速性达不到要求，可靠性低，控制复杂，关断过程中难以实现同步的问题；及现有直流断路器结构复杂，体积大的问题。
本发明所采用的技术方案是基于Si IGBT器件与SiC JFET器件并联组合设计的直流开断装置，包含依次电连接的采样模块、光耦隔离模块、单片机控制模块、驱动模块、主开关模块；其中，所述采样模块与主电路相连，所述主开关模块与主电路相连；
所述采用模块用于实时采集主电路电流信号，将采集的电流信号经光耦隔离模块传递给单片机控制模块作为判断主电路状态的依据；
所述光耦隔离模块用于隔离采样模块与单片机控制模块，保证单片机控制模块安全运行；
所述单片机控制模块，通过分析由光耦隔离模块传输来的电流信号，并对电流信号进行处理，然后根据处理结果给出控制驱动模块动作的指令信号；
所述驱动模块根据单片机控制模块传递的指令信号驱动主开关模块相应电力电子器件执行动作；
所述主开关模块根据驱动模块指令信号关断、连通相应电路。
进一步的，所述主开关模块由Si IGBT器件、SiC JFET器件及金属氧化物压敏电阻组成，其中，Si IGBT器件与SiC JFET器件并联，金属氧化物压敏电阻与Si IGBT器件与SiCJFET器件组成的主电路开关并联。
进一步的，所述SiC JFET器件并联的数量和型号取决于主电路电流大小，并联SiCJFET器件数量加起来所能承受的电流大小是主电路正常工作电流的1.5倍；所述Si IGBT器件数量和型号取决于线路断开后器件需要承受母线电压大小，并联Si IGBT器件的额定电压加起来大于母线电压。
本发明所采用的另一技术方案是直流开断装置的控制方法，具体包括以下步骤：
步骤S1：单片机控制模块根据主电路电流信号与单片机控制模块设定阈值关系进行配电系统状态判断；
步骤S2：驱动模块根据单片机控制模块电路状态判断结果驱动主开关模块器件动作。
进一步的，所述步骤S1具体为：采样模块实时采集主电路电流信号，并经光耦隔离模块传递给单片机控制模块，单片机控制模块根据接收到的电流信号进行配电系统状态判断，当采集的电流信号不超过单片机控制模块设定的阈值时，判定为配电系统正常运行；当采集的电流信号超过单片机控制模块设定的阈值时，判定为配电系统发生故障。
进一步的，所述步骤S2具体为：配电系统正常运行时，主开关模块的Si IGBT器件保持关闭状态，电流经SiC JFET器件导通电路；配电系统发生故障时，驱动模块控制SiIGBT器件导通进行故障点电流分流，使流经SiC JFET器件电流降低。
进一步的，所述配电系统发生故障时，驱动模块控制Si IGBT器件导通进行故障点电流分流具体为：在t0时刻，系统出现干扰或短路，造成主电路电流超过设定的电流阈值，则驱动模块控制主开关模块开始工作；t1时刻，驱动模块对Si IGBT器件执行导通信号，进行故障电流分流；t2时刻，驱动模块对SiC JFET器件执行关断信号，完成低压小电流下SiCJFET器件关断，将故障电流全部转移到Si IGBT器件上；t3时刻，驱动模块给Si IGBT器件栅射极施加-15V的关断信号，Si IGBT器件执行关断信号，Si IGBT器件开始分断，使故障电流开始转移到吸能回路；t4时刻，金属氧化物压敏电阻动作，电流开始由Si IGBT器件向金属氧化物压敏电阻转移，最后Si IGBT器件上电流降低为零，系统中储存的能量完全由金属氧化物压敏电阻泄放，完成整个开断过程。
进一步的，所述t1时刻驱动模块对Si IGBT器件执行导通信号后达到均压的时间为Ton_IGBT，所述t2时刻SiC MOSFET器件执行关断信号滞后Si IGBT执行导通的时间为Tdelay_1，即Tdelay_1＝t2-t1，Tdelay_1大于Ton_IGBT须在1us以上。
进一步的，所述t3时刻Si IGBT器件滞后所述t2时刻SiC MOSFET器件执行关断信号的时间为Tdelay_2，即Tdelay_2＝t3-t2；所述t4时刻所有Si IGBT器件完全关断的总时间为Toff_MOS；其中Tdelay_2大于Toff_MOS须在1us以上。
进一步的，所述单片机控制模块设定的阈值是主电路正常运行时电流的1.5倍。
本发明的有益效果是：本发明以全固态器件组合的形式，能够满足直流断路器快速性要求。当检测到中低压直流配用电系统出现故障时，本发明装置通过先导通Si IGBT器件，进行故障电流分流，降低通过常通型SiC JFET器件电流；然后在Si IGBT器件导通后对常通型SiC JFET器件发送关断信号，此时常通型SiC JFET器件两端所承受电压为Si IGBT器件导通压降，从而避免了常通型SiC JFET器件在关断过程中承受过电压情况，提高了关断可靠性。与此同时，由于SiC JFET器件是在低压小电流下关断，因此控制上不必要严格满足多个SiC JFET器件同时关断需求，从而降低了断路器控制复杂性，兼顾了快速性、可靠性与控制简单等优点，提出了高速、高可靠且控制简单的直流断路器装置。本发明进行一定扩展后也可以适用于中高压大电流系统，只需将满足系统运行需求的一定数量常通型SiCJFET器件进行串联或并联。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是直流开断装置示意图；
图2是直流开断装置主开关模块原理图；
图3是直流开断装置流程图；
图4是直流开断装置驱动时序图；
图5是直流开断装置的驱动信号图；
图6是直流开断装置关断的仿真波形图；
图7是直流开断装置关断的仿真波形细节图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例为一种基于Si IGBT器件与SiC JFET器件并联组合设计的直流开断装置，如图1所示，主要由采样模块、光耦隔离模块、单片机控制模块、驱动模块、主开关模块组成，其中，采样模块与主电路相连，光耦隔离模块连接在采样模块上，单片机控制模块连接在光耦隔离模块上，驱动模块连接在单片机控制模块上，主开关模块连接在驱动模块上，主开关模块与主电路相连。采样模块实时采集主电路电流信号，将采集的电流信号经光耦隔离模块传递给单片机控制模块作为判断主电路状态的依据；光耦隔离模块用于隔离采样模块与单片机控制模块，保证单片机控制模块安全运行；单片机控制模块，通过分析由光耦隔离模块传输来的电流信号，并对电流信号进行处理，然后根据处理结果给出控制驱动器动作的指令信号；驱动模块根据单片机控制模块传递的指令信号驱动主开关模块相应电力电子器件执行动作；主开关模块根据驱动模块指令信号关断、连通相应电路。
如图2所示为主开关模块原理图，主开关模块由Si IGBT器件、SiC JFET器件及金属氧化物压敏电阻(metal-oxide-varistor，MOV)组成，其中，Si IGBT器件与SiC JFET器件并联，金属氧化物压敏电阻(metal-oxide-varistor，MOV)与Si IGBT器件与SiC JFET器件组成的主电路开关并联。SiC JFET器件并联作为主电路流通回路，并联的数量和型号取决于主电路电流大小。不同型号的SiC JFET器件有不同额定电压和电流，并联的器件数量加起来所能承受的电流大小一般是主电路正常工作电流的1.5倍。当主电路流通回路器件确定之后，再将辅助开关Si IGBT与其并联，共同组成主开关模块。Si IGBT器件数量和型号取决于线路断开后器件需要承受母线电压大小，Si IGBT是在关断时，它两端为母线电压，所以对Si IGBT的额定电压要大于母线电压，如果单个Si IGBT不能满足要求，需并联多个SiIGBT。因此，可以通过对SiC JFET器件的数量选择来满足系统的电流需求，对辅助开关SiIGBT的选择来满足系统的电压需求。
如图3所示为本实施例开断装置控制流程图，采样模块实时采集主电路电流信号，并经光耦隔离模块传递给单片机控制模块，单片机控制模块根据接收到的电流信号进行配电系统状态判断，当采集的电流信号不超过单片机控制模块设定的阈值时，判定为配电系统正常运行，主开关模块的Si IGBT器件保持关闭状态，电流经SiC JFET器件导通电路；当采集的电流信号超过单片机控制模块设定的阈值时，判定为配电系统发生故障，驱动模块控制Si IGBT器件导通进行故障点电流分流，使流经SiC JFET器件电流降低；当Si IGBT器件完全导通之后，由于Si IGBT器件与SiC JFET器件是并联的，此时Si IGBT器件两端的电压为SiC JFET器件两端电压的下降值，控制驱动模块实现低压、小电流情况下SiC JFET器件关断，当SiC JFET器件完全关断之后，故障电流由高耐压高耐流的Si IGBT器件承担；驱动模块控制Si IGBT器件进行关断，使故障电流开始转移到金属氧化物压敏电阻回路上，在Si IGBT器件关断过程中，Si IGBT两端的电压会不断升高，从而达到金属氧化物压敏电阻动作电压。此时电流开始由Si IGBT器件向金属氧化物压敏电阻转移，最后Si IGBT器件完全关断，电流降至为零。系统中储存的能量完全由金属氧化物压敏电阻泄放，完成整个断路过程。其中，单片机控制模块设定的阈值是主电路正常运行时电流的1.5倍，是因为SiCJFET器件所能承受的最大额定电流是主电路正常运行时电流的1.5倍。此阈值可防止系统遭受小扰动而导致装置误动作。
图4为直流开断装置驱动时序图，其中，VGS_MOS为SiC MOSFET门极驱动控制信号，VGE_IGBT为Si IGBT门极驱动控制信号；正常工作时，由于Si IGBT器件处于关断状态，主电路电流流经SiC JFET器件；在t0时刻，系统出现干扰或短路，造成主电路电流剧增；剧增的主电路电流被采样模块采集，然后将采样电流信号传输到单片机控制模块，判断是否超过设定的电流阈值，若没超过设定的电流阈值，则电路继续运行和采样，若采样的主电路电流值超过设定的电流阈值，则驱动模块控制主开关模块开始工作。
t1时刻，驱动模块对Si IGBT器件执行导通信号，进行故障电流分流；Si IGBT开通达到均压的时间为Ton_IGBT。
t2时刻，驱动模块对SiC JFET器件执行关断信号，完成低压小电流下SiC JFET器件关断，将故障电流全部转移到Si IGBT器件上；
SiC MOSFET器件执行关断滞后Si IGBT器件执行导通的时间为Tdelay_1，即Tdelay_1＝t2-t1，且Tdelay_1大于Ton_IGBT的时间为高功率SiC MOSFET器件自身关断需要时间，高功率SiCMOSFET自身关断需要时间一般是小于1us，为保证SiC MOSFET器件充分关闭，本实施中Tdelay_1大于Ton_IGBT 1us以上。
t3时刻，驱动模块给Si IGBT器件栅射极施加-15V的关断信号，Si IGBT器件执行关断信号，Si IGBT器件开始分断，使故障电流开始转移到吸能回路；给Si IGBT器件栅射极施加-15V的关断信号可以保证Si IGBT器件完全关断；
Si IGBT器件滞后SiC MOSFET器件关断的关断时间Tdelay_2，即Tdelay_2＝t3-t2。
t4时刻，金属氧化物压敏电阻动作，电流开始由Si IGBT器件向金属氧化物压敏电阻转移，最后Si IGBT器件上电流降低为零，系统中储存的能量完全由金属氧化物压敏电阻泄放，完成整个开断过程。
Toff_MOS为所有Si IGBT器件完全关断的总时间，其中Tdelay_2要大于Toff_MOS在1us以上，以保证Si IGBT关断时线路电流不会分流到SiC MOSFET上。
基于LTspice仿真软件搭建新型中低压直流开断装置的仿真模型，主开关模块选择单个SiC JFET与单个Si IGBT并联；往直流母线中注入的电压为600V，仿真时间为7us，其中驱动信号如图5所示，SiC JFET在0us时开通，6us时关断，与其并联的Si IGBT在4us时开通。模型仿真波形如图6所示，模型仿真波形细节图如图7所示。由图6和图7可知，0-4us时，SiC JFET导通，流过主回路的电流约为60A。4us时Si IGBT导通，此时SiC JFET与Si IGBT并联运行，SiC JFET上的电流开始分流到Si IGBT上。5.6us时，主电路电流的分流状态结束，电流达到稳定，此时主电路电流大部分集中在Si IGBT为48A，占总电流的77％；而SiC JFET上电流降低到12A，占总电流大小的23％。同时SiC JFET两端的电压即为Si IGBT器件的压降约为3.5V，如图7所示。6us时，SiC JFET关断，其关断所承受的两端电压为3.5V，电流大小为12A，实现了SiC JFET在低压、小电流条件下的关断。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.基于Si IGBT器件与SiC JFET器件并联组合设计的直流开断装置，其特征在于，包含依次电连接的采样模块、光耦隔离模块、单片机控制模块、驱动模块、主开关模块；其中，所述采样模块与主电路相连，所述主开关模块与主电路相连；
所述采用模块用于实时采集主电路电流信号，将采集的电流信号经光耦隔离模块传递给单片机控制模块作为判断主电路状态的依据；
所述光耦隔离模块用于隔离采样模块与单片机控制模块，保证单片机控制模块安全运行；
所述单片机控制模块，通过分析由光耦隔离模块传输来的电流信号，并对电流信号进行处理，然后根据处理结果给出控制驱动模块动作的指令信号；
所述驱动模块根据单片机控制模块传递的指令信号驱动主开关模块相应电力电子器件执行动作；
所述主开关模块根据驱动模块指令信号关断、连通相应电路。
2.根据权利要求1所述的基于Si IGBT器件与SiC JFET器件并联组合设计的直流开断装置，其特征在于，所述主开关模块由Si IGBT器件、SiC JFET器件及金属氧化物压敏电阻组成，其中，Si IGBT器件与SiC JFET器件并联，金属氧化物压敏电阻与Si IGBT器件与SiCJFET器件组成的主电路开关并联。
3.根据权利要求2所述的基于Si IGBT器件与SiC JFET器件并联组合设计的直流开断装置，其特征在于，所述SiC JFET器件并联的数量和型号取决于主电路电流大小，并联SiCJFET器件数量加起来所能承受的电流大小是主电路正常工作电流的1.5倍；所述Si IGBT器件数量和型号取决于线路断开后器件需要承受母线电压大小，并联Si IGBT器件的额定电压加起来大于母线电压。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的直流开断装置的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤S1：单片机控制模块根据主电路电流信号与单片机控制模块设定阈值关系进行配电系统状态判断；
步骤S2：驱动模块根据单片机控制模块电路状态判断结果驱动主开关模块器件动作。
5.根据权利要求4所述的直流开断装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：采样模块实时采集主电路电流信号，并经光耦隔离模块传递给单片机控制模块，单片机控制模块根据接收到的电流信号进行配电系统状态判断，当采集的电流信号不超过单片机控制模块设定的阈值时，判定为配电系统正常运行；当采集的电流信号超过单片机控制模块设定的阈值时，判定为配电系统发生故障。
6.根据权利要求4所述的直流开断装置的控制方法，其特征在于，所述步骤S2具体为：配电系统正常运行时，主开关模块的Si IGBT器件保持关闭状态，电流经SiC JFET器件导通电路；配电系统发生故障时，驱动模块控制Si IGBT器件导通进行故障点电流分流，使流经SiC JFET器件电流降低。
7.根据权利要求6所述的直流开断装置的控制方法，其特征在于，所述配电系统发生故障时，驱动模块控制Si IGBT器件导通进行故障点电流分流具体为：在t0时刻，系统出现干扰或短路，造成主电路电流超过设定的电流阈值，则驱动模块控制主开关模块开始工作；t1时刻，驱动模块对Si IGBT器件执行导通信号，进行故障电流分流；t2时刻，驱动模块对SiCJFET器件执行关断信号，完成低压小电流下SiC JFET器件关断，将故障电流全部转移到SiIGBT器件上；t3时刻，驱动模块给Si IGBT器件栅射极施加-15V的关断信号，Si IGBT器件执行关断信号，Si IGBT器件开始分断，使故障电流开始转移到吸能回路；t4时刻，金属氧化物压敏电阻动作，电流开始由Si IGBT器件向金属氧化物压敏电阻转移，最后Si IGBT器件上电流降低为零，系统中储存的能量完全由金属氧化物压敏电阻泄放，完成整个开断过程。
8.根据权利要求7所述的直流开断装置的控制方法，其特征在于，所述t1时刻驱动模块对Si IGBT器件执行导通信号后达到均压的时间为Ton_IGBT，所述t2时刻SiC MOSFET器件执行关断信号滞后Si IGBT执行导通的时间为Tdelay_1，即Tdelay_1＝t2-t1，Tdelay_1大于Ton_IGBT须在1us以上。
9.根据权利要求7所述的直流开断装置的控制方法，其特征在于，所述t3时刻Si IGBT器件滞后所述t2时刻SiC MOSFET器件执行关断信号的时间为Tdelay_2，即Tdelay_2＝t3-t2；所述t4时刻所有Si IGBT器件完全关断的总时间为Toff_MOS；其中Tdelay_2大于Toff_MOS须在1us以上。
10.根据权利要求5所述的直流开断装置的控制方法，其特征在于，所述单片机控制模块设定的阈值是主电路正常运行时电流的1.5倍。
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