CN113783173A - 高压固态半导体开关器件及提高该电压利用率方法和应用 - Google Patents

高压固态半导体开关器件及提高该电压利用率方法和应用 Download PDF

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Abstract

高压固态半导体开关器件及提高该电压利用率方法和应用，包括高压固态半导体开关器件，所述每一个高压固态半导体开关器件的集电极与发射极之间并联一个模块化间隙避雷器；所述模块化间隙避雷器包括压敏电阻MOV与可击穿间隙串联组成。与现有半导体固态开关中由纯MOV构成的限压电路相比，本发明在保障固态半导体开关器件安全的前提下，与MOV串联的可击穿间隙可以在静态时额外分担一部分直流电压，从而提高固态半导体开关器件的额定直流电压V DC，有效提高器件电压利用率。在固态半导体开关器件的关断暂态，与MOV串联的可击穿间隙击穿并呈现低阻态，然后避雷器吸收故障能量并限制半导体开关器件电压，从而保护固态半导体开关器件。

Description

高压固态半导体开关器件及提高该电压利用率方法和应用
技术领域
本发明涉及一种高压固态半导体开关器件，尤其是采用模块化间隙避雷器的高压固态半导体开关器件及其提高该器件电压利用率控制方法和应用，属于半导体开关器件应用与设计领域。
背景技术
混合式直流断路器能快速切除柔性直流系统中故障电流，是一种典型的过电流保护装置。混合式直流断路器在柔性直流组网中具有不可或缺的作用，并且高压半导体开关始终是混合式直流断路器中最重要的关键技术，不仅需要在几百微秒内快速切断电流，还要承受因开关关断而产生的1.5～2倍额定值的操作过电压，同时还需吸收系统短路所产生的额外能量。
为了避免电力电子器件在切断感性电流时被过电压击穿，现有技术中压敏电阻MOV通常用于半导体固态开关的限压，目前这种使用以压敏电阻MOV为核心的半导体固态开关构造方案得到了多个厂家的沿用，成为了当前的主流方案。如现有技术：文献1(
Figure BDA0003228038560000011
J.&Jacobson.Proactive hybrid HVDC breakers-A key innovation for reliable HVDCgrids[C]//Proc.CIGRE Symposium,Bologna,Italy,2011:1-8)中首次提出了一种由4个80kV的阀段构成的混合式直流断路器方案，其基本构造如图1中所示。在正常运行时由断路器主支路的机械开关导通系统运行电流，而在线路短路故障发生后，由于机械开关自身不能分断直流电流，断路器会先将电流从机械开关转移到并联的半导体开关上，再利用高压半导体开关的高可控性将电流分断，实现线路故障的隔离。为了避免电力电子器件在切断感性电流时被过电压击穿，MOV通常用于半导体固态开关的限压。后续我国的全球能源互联网有限公司(文献2：汤广福,王高勇,贺之渊,庞辉,周啸,单云海,李强.张北500kV直流电网关键技术与设备研究[J].高电压技术,2018,44(07):2097-2106)、清华大学(文献3：X.Zhang,et al.A State-of-the-Art 500-kV Hybrid Circuit Breaker for a dc Grid:The World′s Largest Capacity High-Voltage dc Circuit Breaker[J].IEEEIndustrial Electronics Magazine,2020,14(02):15-27)等科研院所在这个基础上进一步发展出新型500kV混合式直流断路器，其中在文献2中提出了新断路器方案，其限压电路仍采用了以50kV/100kV为单位的多级单一MOV配置方式；文献3在前两者的基础上，以每一个半导体开关器件为单位，提出了模块化的避雷器配置方案。总体来看，当前限压电路仅有单一MOV这一种。
然而，由于压敏电阻MOV的非线性有限以及电力电子器件最大过电压的限制，导致半导体固态开关的电压利用率较低。如图2(a)中所示，压敏电阻MOV是一种典型的非线性压敏电阻，其特性可以由图2(b)给出的参考电压U1mA与动作残压URES这两个关键参数进行描述，一般认为压敏电阻MOV的电压低于U1mA时处于高阻态，当电压提高至U1mA以上时MOV就开始导通，此后电流会随电压呈现指数形式增长，而动作残压URES指的就是MOV在标定电流冲击下的最高限制电压，URES/U1mA即为压敏电阻MOV的残压比。图2(c，d)中给出了纯压敏电阻MOV方案的限压电路在半导体开关中的典型工作过程：稳态时半导体开关处于关断状态，此时压敏电阻MOV承受开关的额定直流电压VDC，VDC会被设置为低于参考电压U1mA，因此开关整体表现为高阻态；随后，半导体开关开通流过电流，压敏电阻MOV直接被短路，不参与通流过程；而后半导体开关再次关断时，在外回路的感性电流冲击作用下就产生关断过电压，此时压敏电阻MOV的非线性特性起作用，将最高电压限制在动作残压URES附近，只要这个电压低于半导体开关中串联器件所能耐受的极限电压VMAX就能保护器件不被击穿；最后，电流在压敏电阻MOV作用下逐渐衰减至0，系统再次恢复到初始状态。
电力电子器件本身不存在“长期直流耐压”与“短时冲击耐压”的区分，其耐压值既是额定电压也是最高电压，理想情况下器件利用率为100％。但是，当电力电子器件与纯压敏电阻MOV构成的限压电路并联后，其电压能力就受到了制约：一方面，压敏电阻MOV的动作残压需要低于器件所能耐受最高总电压从而保证器件不会击穿；另一方面，在静态运行层面，需要考虑长期运行中压敏电阻MOV老化效应的影响，压敏电阻MOV承受的额定直流电压VDC需低于参考电压U1mA，研究表明MOV的长期运行电压一般只能达到其参考电压的0.85倍，否则MOV阀片在长期老化作用下就容易失效，因此半导体开关中VDC/VMAX的最大极限就是MOV参考电压与动作残压的比值U1mA/URES，实际上就是MOV的非线性程度限制了器件的电压利用率。目前现有金属氧化物电阻片在8/20μs雷电冲击残压比U5kA/U1mA在1.4-2.5之间，这就造成纯压敏电阻MOV方案下的器件电压利用率理论上最高就只有70％左右。而在工程应用中，受到压敏电阻MOV的长期老化以及关断电压过冲等其他因素的影响，半导体开关实际的器件电压利用率往往都达不到50％。如图2(c)所示，半导体开关中的电力电子器件额定电压VMAX与半导体固态开关所能达到的额定直流电压VDC之间是存在落差的，这里将VDC/VMAX定义为半导体开关中的器件电压利用率，该利用率的值越高，说明构成相同电压等级半导体开关所需要的电力电子器件数量越少，装置的技术经济性就越好。
总体来看，当前限压电路构造的方案较为简单，但是纯压敏电阻MOV限压电路的最大缺陷就是其大大降低了半导体开关的器件利用率。
发明内容
本发明针对直流断路器的核心部件---高压固态半导体开关器件电压利用率较低的问题，提出了解决方法。
采用模块化间隙避雷器的高压固态半导体开关器件，包括高压固态半导体开关器件，其特征为：每一个所述高压固态半导体开关器件的集电极与发射极之间并联模块化间隙避雷器；所述模块化间隙避雷器包括压敏电阻MOV与可击穿间隙串联组成。
优选为：每一个所述高压固态半导体开关器件并联一个模块化间隙避雷器。
优选为：所述可击穿间隙并联电阻。
本发明还公开一种提高高压固态半导体开关器件电压利用率方法，包括上述的采用模块化间隙避雷器的高压固态半导体开关器件，其特征为：包括如下步骤：该电路的等效模型如图5所示，其中R0为MOV的泄露电阻，与电压有关，Cgap为间隙的部分电容，CMOV为避雷器的结电容。
在直流稳态0-t1阶段：间隙在稳态下不击穿，与间隙并联的R与MOV阻抗匹配，间隙分担部分直流电压，压敏电阻MOV两端的电压为其持续工作电压，即
Figure BDA0003228038560000031
其中，Vall为固态半导体开关器件电压，VMOV为避雷器的电压，Vgap为间隙的电压。
步骤2：t1-t3阶段：高压固态半导体开关器件在t1时刻导通，流过器件的电流逐渐增大，固态半导体开关器件的电压Vall下降到器件的正向导通压降，即
Vall＝VFV
其中，VFV为固态半导体开关器件的正向导通压降。
步骤3：在t3时刻，高压固态半导体开关器件关断，Vall逐渐增大。在t3-t4阶段，关断电流的等效频率在百kHz，间隙的部分电容(Cgap)一般为几pF，MOV的结电容CMOV为几到几十nF，在间隙击穿之前，Zgap>>ZMOV，间隙承受大部分电压，因此在t4时刻，间隙首先击穿，即
Figure BDA0003228038560000041
步骤4：t4-t5阶段：可击穿间隙击穿，间隙处于低阻抗状态。当电压Vall超过避雷器的参考电压后，电流转移到MOV支路；MOV限制过电压，吸收系统能量；步骤5：t5-t6阶段：MOV支路电流逐渐减小，t6时刻电流降为0；间隙绝缘恢复，半导体固态开关再次承受系统直流电压。
有益效果
本发明技术方案提高了固态半导体开关的额定直流电压VDC，有效提高器件电压利用率。
附图说明
图1为现有技术中混合式直流断路器电路原理示意图。
图2(a)-(d)为现有技术中采用纯MOV构成限压电路原理图及其性能参数曲线图。
图3(a)-(c)为现有技术采用的方案与本发明采用的方案进化示意图。
图4(a)为现有技术中采用纯mov限压电路的性能曲线，图4(b)为采用模块化间隙避雷器的固态半导体开关电路原理图及其性能曲线对比。
图5(a)为本发明所提固态所提采用模块化间隙避雷器的高压固态半导体开关器件方案，图5(b)为其等效电路。
具体实施方式
首先参考现有模块化设计思路，将整体级联半导体开关按单个器件或者组件划分为多个模块，并在每个模块中配置独立的限压电路。在此基础上，引入了可击穿间隙(并联电阻)将其和MOV串联共同组成新型模块化固态半导体开关，如图3所示。新型模块化固态半导体的工作原理如图4所示，与现有纯MOV构成的限压电路相比，与MOV串联的放电间隙可以在静态时额外分担一部分直流电压，从而提高固态半导体开关的额定直流电压VDC，有效提高器件电压利用率。
参见图1所示：在正常运行时由断路器主支路的机械开关导通系统运行电流，而在线路短路故障发生后，由于机械开关自身不能分断直流电流，断路器会先将电流从机械开关转移到并联的半导体开关上，再利用半导体开关的高可控性将电流分断，实现线路故障的隔离。为了避免电力电子器件在切断感性电流时被过电压击穿，MOV通常用于半导体固态开关的限压。目前这种使用以MOV为核心的半导体固态开关构造方案得到了多个厂家的沿用，成为了当前的主流方案。图2(a)-(d)为现有技术中采用纯MOV构成限压电路原理图及其性能参数曲线图。其中，图2(a)为现有高压固态半导体开关技术，其限压电压由纯MOV构成；图2(b)为MOV的U-I特性曲线，其特性可以由图中给出的参考电压U1mA与动作残压URES这两个关键参数进行描述，一般认为MOV的电压低于U1mA时处于高阻态，当电压提高至U1mA以上时MOV就开始导通，此后电流会随电压呈现指数形式增长，而动作残压URES指的就是MOV在标定电流冲击下的最高限制电压，URES/U1mA即为MOV的残压比；图2(c)中给出了纯MOV方案的限压电路在半导体开关中的典型工作过程。稳态时半导体开关处于关断状态，此时MOV承受开关的额定直流电压VDC，VDC会被设置为低于参考电压U1mA，因此开关整体表现为高阻态；随后，半导体开关开通流过电流，MOV直接被短路，不参与通流过程；而后半导体开关再次关断时，在外回路的感性电流冲击作用下就产生关断过电压，此时MOV的非线性特性起作用，将最高电压限制在动作残压URES附近，只要这个电压低于半导体开关中串联器件所能耐受的极限电压VMAX就能保护器件不被击穿；最后，电流在MOV作用下逐渐衰减至0，系统再次恢复到初始状态。
参见图3所示，图3(a)为ABB公司和全球能源互联网研究院提出的集总型限压电压配置方案，其特点就是以多级串联半导体器件构成的固态开关为单位的多级单一MOV方案；图3(b)为模块化的MOV配置方案，其特点是每一个高压固态半导体开关器件的集电极与发射极之间并联一个避雷器；图3(c)为模块化的间隙避雷器配置方案，在现有模块化方案的基础上，在限压电路中引入可击穿避雷器(并联电阻)。
本发明采用模块化间隙避雷器的高压固态半导体开关器件，其技术方案如下：包括高压固态半导体开关器件，所述每一个高压固态半导体开关器件的集电极与发射极之间并联一个模块化间隙避雷器；所述模块化间隙避雷器包括压敏电阻MOV与可击穿间隙串联组成。所述的采用模块化间隙避雷器的高压固态半导体开关器件；一个高压固态半导体开关器件并联一个模块化间隙避雷器。所述可击穿间隙并联电阻。
本发明提出的新方案的工作原理如下，参见图4所示：
提高高压固态半导体开关器件电压利用率方法，包括上述采用模块化间隙避雷器的高压固态半导体开关器件，其特征为：包括如下步骤：
建立等效模型，如图5所示，其中R0为MOV的泄露电阻，与电压有关，Cgap为间隙的部分电容，CMOV为避雷器的结电容。
在直流稳态0-t1阶段：间隙在稳态下不击穿，与间隙并联的R与MOV阻抗匹配，间隙分担部分直流电压，压敏电阻MOV两端的电压为其持续工作电压，即
Figure BDA0003228038560000061
其中，Vall为固态半导体开关器件电压，VMOV为避雷器的电压，Vgap为间隙的电压。
步骤2：t1-t3阶段：高压固态半导体开关器件在t1时刻导通，流过器件的电流逐渐增大，固态半导体开关器件的电压Vall下降到器件的正向导通压降，即
Vall＝VFV
其中，VFV为固态半导体开关器件的正向导通压降。
步骤3：在t3时刻，高压固态半导体开关器件关断，Vall逐渐增大。在t3-t4阶段，关断电流的等效频率在百kHz，间隙的部分电容(Cgap)一般为几pF，MOV的结电容CMOV为几到几十nF，在间隙击穿之前，Zgap>>ZMOV，间隙承受大部分电压，因此在t4时刻，间隙首先击穿，即
Figure BDA0003228038560000071
步骤4：t4-t5阶段：可击穿间隙击穿，间隙处于低阻抗状态。当电压Vall超过避雷器的参考电压后，电流转移到MOV支路；MOV限制过电压，吸收系统能量；步骤5：t5-t6阶段：MOV支路电流逐渐减小，t6时刻电流降为0；间隙绝缘恢复，半导体固态开关再次承受系统直流电压。
本发明在现有固态半导体开关技术的基础上，在限压支路引入了可击穿间隙(并联电阻)将其和压敏电阻MOV串联与电力电子器件共同组成新型模块化半导体固态开关。与现有半导体固态开关中由纯MOV构成的限压电路相比，在保障半导体固态开关安全的前提下，与MOV串联的放电间隙可以在静态时额外分担一部分直流电压，从而提高固态半导体开关的额定直流电压VDC，有效提高器件电压利用率。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.采用模块化间隙避雷器的高压固态半导体开关器件，包括高压固态半导体开关器件，其特征为：每一个所述高压固态半导体开关器件的集电极与发射极之间并联模块化间隙避雷器；所述模块化间隙避雷器包括压敏电阻MOV与可击穿间隙串联组成。
2.根据权利要求1所述的采用模块化间隙避雷器的高压固态半导体开关器件，其特征为：每一个所述高压固态半导体开关器件并联一个模块化间隙避雷器。
3.根据权利要求1所述的采用模块化间隙避雷器的高压固态半导体开关器件，其特征为：所述可击穿间隙并联一个电阻。
4.提高高压固态半导体开关器件电压利用率的方法，包括权利要求1-2任一所述的采用模块化间隙避雷器的高压固态半导体开关器件，其特征为：包括如下步骤：
步骤1：建立高压固态半导体开关器件的等效模型；所述压敏电阻MOV等效电路为：电阻R0与电容CMOV并联，其中，R0为压敏电阻MOV的泄露电阻，CMOV为避雷器的结电容；所述可击穿间隙等效电路为：电阻R与Cgap并联，其中Cgap为间隙的部分电容；
在直流稳态0-t1阶段：间隙在稳态下不击穿，与间隙并联的电阻R与压敏电阻MOV阻抗匹配，间隙分担部分直流电压，压敏电阻MOV两端的电压为其持续工作电压，即
Figure FDA0003228038550000011
其中，Vall为固态半导体开关器件电压，VMOV为避雷器的电压，Vgap为间隙的电压；
步骤2：t1-t3阶段：高压固态半导体开关器件在t1时刻导通，流过器件的电流逐渐增大，固态半导体开关器件的电压Vall下降到器件的正向导通压降，即
Vall＝VFV
其中，VFV为固态半导体开关器件的正向导通压降；
步骤3：在t3时刻，高压固态半导体开关器件关断，Vall逐渐增大；在t3-t4阶段，关断电流的等效频率在百kHz，间隙的部分电容(Cgap)为几pF，MOV的结电容CMOV为几到几十nF，在间隙击穿之前，Zgap>>ZMOV，间隙承受大部分电压，因此在t4时刻，间隙首先击穿，即
Figure FDA0003228038550000021
步骤4：t4-t5阶段：可击穿间隙击穿，间隙处于低阻抗状态；当电压Vall超过避雷器的参考电压后，电流转移到MOV支路；MOV限制过电压，吸收系统能量；
步骤5：t5-t6阶段：MOV支路电流逐渐减小，t6时刻电流降为0；间隙绝缘恢复，半导体固态开关再次承受系统直流电压。
5.混合式直流断路器，其特征为：包括权利要求1-3任一所述的采用模块化间隙避雷器的高压固态半导体开关器件。
6.将权利要求4所述的提高高压固态半导体开关器件电压利用率方法应用于混合式直流断路器中。
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CN114884495A (zh) * 2022-07-06 2022-08-09 中国科学院电工研究所 基于半导体模块的固态开关及半导体模块利用率提升方法

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