CN113824093A - 固态断路器及用于其的缓冲吸收电路 - Google Patents

固态断路器及用于其的缓冲吸收电路 Download PDF

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石伟
缪光辉
冯玉龙
李骁
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Abstract

本发明公开了一种固态断路器及用于其的缓冲吸收电路。所述缓冲吸收电路包括：在所述固态断路器的可关断器件为关断之后的特定时间内，所述缓冲吸收电路包括：第一缓冲能量模块和第二缓冲能量模块；所述第一缓冲能量模块用于在所述特定时间的第一特定时间内，吸收可关断器件关断所产生的能量；所述第二缓冲能量模块用于在所述特定时间的第二特定时间内，具有使能状态，以吸收可关断器件关断所产生的能量，其中所述第二特定时间晚于所述第一特定时间。本发明实施方式提供了一种固态断路器及用于其的缓冲吸收电路，旨在避免可关断器件关断和开通时被损坏，且能适用于关断时间长的情况。

Description

固态断路器及用于其的缓冲吸收电路
技术领域
本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种固态断路器及用于其的缓冲吸收电路。
背景技术
在固态断路器(例如直流固态断路器IGBT等开关元件)器件的关断过程中，由于线路电感的存在，固态断路器器件的两端会产生很高的电压。该高电压容易损坏固态断路器器件，因此需要对该高电压进行抑制。
现有技术中，通常在该固态断路器器件的两端并联缓冲吸收电路来抑制该高电压。该缓冲吸收电路一般包括无感电容和无感电阻的缓冲吸收电路。该缓冲吸收电路在电容C1上串联电阻器R1。如此，当固态断路器再次开通时，由于R1的存在，电容C1上的电荷不能在瞬间释放，进而避免固态断路器发生损坏。但是在该种缓冲吸收电路中，当可关断器件关断时，由于R1的存在，回路上的电流不能及时流向电容C1，进而导致固态断路器器件的两端产生高电压，以致损坏固态断路器。
因此，有必要提出一种用于固态断路器的缓冲吸收电路，以克服上述缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明实施方式提供了一种固态断路器及用于其的缓冲吸收电路，其能避免可关断器件关断和开通时被损坏，而且能适用关断时间长的情况。
本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：一种用于固态断路器的缓冲吸收
电路，在所述固态断路器的可关断器件为关断之后的特定时间内，所述缓冲吸收电路包括：第一缓冲能量模块和第二缓冲能量模块；第一缓冲能量模块用于在所述特定时间的第一特定时间内，吸收所述可关断器件关断所产生的能量；第二缓冲能量模块用于在所述特定时间的第二特定时间内，具有使能状态，以吸收所述可关断器件关断所产生的能量，其中所述第二特定时间晚于所述第一特定时间。
可选地，所述第一缓冲能量模块包括：第一电容；所述第一电容并联于所述固态断路器的可关断器件。
可选地，所述第一电容为无感电容，且所述第一电容的容值小于第一预设容值。
可选地，所述第二缓冲能量模块包括：使能触发单元，所述使能触发单元用于控制所述第二缓冲能量模块处于使能状态。
可选地，所述使能触发单元为二极管。
可选地，所述第二缓冲能量模块包括：能量吸收单元，所述能量吸收单元与所述使能触发单元相连，用于吸收所述可关断器件关断所产生的能量。
可选地，所述能量吸收单元包括第二电容，所述第二电容为无感电容，且所述第二电容的容值大于第二预设容值。
可选地，所述第二电容的容值大于所述第一缓冲能量模块的第一电容的容值。
可选地，所述能量吸收单元还包括第一电阻，所述第一电阻与所述第二电容串联，且所述第一电阻与所述使能触发单元的二极管并联。
可选地，所述缓冲吸收电路还包括：能量吸收模块，所述能量吸收模块用于在所述特定时间的第三特定时间内，吸收所述可关断器件关断所产生的剩余能量，其中所述第三特定时间晚于所述第二特定时间。
可选地，所述能量吸收模块包括压敏电阻。
本发明还提供了一种固态断路器，其包括：本发明任一实施例所述的缓冲吸收电路。
可选地，所述固态断路器包括：母线线路，所述第一缓冲能量模块和所述第二缓冲能量模块均连接于所述母线线路。
可选地，所述可关断器件连接于所述母线线路。
本发明提供的固态断路器及用于其的缓冲吸收电路的有益效果是：本发明实施例所提供的所述用于固态断路器的缓冲吸收电路，在所述固态断路器的可关断器件为关断之后的特定时间内，其包括第一缓冲能量模块和第二缓冲能量模块。该第一缓冲能量模块用于在特定时间的第一特定时间内，吸收可关断器件关断所产生的能量；该第二缓冲能量模块用于在特定时间的第二特定时间内，具有使能状态，以吸收可关断器件关断所产生的能量，其中所述第二特定时间晚于所述第一特定时间。如此，本发明所述缓冲吸收电路在固态断路器的可关断器件为关断之后的特定时间内，通过第一缓冲能量模块和第二缓冲能量模块这两个模块对可关断器件关断所产生的能量分别在两个时间段进行吸收。如此设计，可以避免在第二缓冲能量模块使能状态未触发前，可关断器件关断所产生的能量无法进行释放，进而损坏固态断路器的现象。因此，本发明所述实施例提供了一种固态断路器及用于其的缓冲吸收电路，其能避免可关断器件关断和开通时被损坏，而且能适用关断时间长的回路。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明一实施例所提供的一种用于固态断路器的缓冲吸收电路的电路示意图；
图2是本发明一实施例所提供的用于固态断路器的缓冲吸收电路的电路等效示意图；
图3是本发明实施例中母线线路上发生了故障后缓冲吸收电路的缓冲吸收过程中电压电流波形图；
图4是本发明实施例中所提供的固态断路器的流程图。
附图标记说明：
11、第一电容；15、可关断器件；16、母线线路；18、第二电容；21、二极管；23、第一电阻；25、第一电抗；26、第二电抗；27、第三电抗；28、第二电阻；31、压敏电阻；33、第四电抗；100、第一缓冲能量模块；200、第二缓冲能量模块；300、能量吸收模块；1000、缓冲吸收电路；2000、固态断路器。
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作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。
请参阅图1至图4。本发明提供一种用于固态断路器2000的缓冲吸收电路 1000。所述缓冲吸收电路1000，在所述固态断路器2000的可关断器件15为关断之后的特定时间内，其包括：第一缓冲能量模块100和第二缓冲能量模块200；第一缓冲能量模块100用于在所述特定时间的第一特定时间内，吸收所述可关断器件15关断所产生的能量；第二缓冲能量模块200用于在所述特定时间的第二特定时间内，具有使能状态，以吸收所述可关断器件15关断所产生的能量，其中所述第二特定时间晚于所述第一特定时间。
本发明所述用于固态断路器2000的缓冲吸收电路1000包括第一缓冲能量模块100和第二缓冲能量模块200。该第一缓冲能量模块100用于在特定时间的第一特定时间内，吸收可关断器件15关断所产生的能量。该第二缓冲能量模块200用于在特定时间的第二特定时间内，具有使能状态，以吸收可关断器件 15关断所产生的能量，其中所述第二特定时间晚于所述第一特定时间。如此设计，当本发明所述缓冲吸收电路1000在可关断器件15关断之后的特定时间内，缓冲吸收电路1000能按时序先后分别通过第一缓冲能量模块100和第二缓冲能量模块15对可关断器件15关断所产生的能量进行吸收。这样可以避免在第二缓冲能量模块200的使能状态未触发前，由于可关断器件15关断所产生的能量无法进行释放而造成可关断器件15受到损坏的现象。
在可关断器件15关断之后的特定时间，该特定时间至少可以包括第一特定时间和第二特定时间，其中第二特定时间晚于第一特定时间。该特定时间指可关断器件15关断之后能量释放所持续的时间。例如如图3所示，图3示出了本发明实施例中母线线路16上发生了故障后缓冲吸收电路1000的缓冲吸收过程中电压电流波形。具体地，如图3所示，横轴为时间、纵轴为电流值和/或电压值。t0至t1为短路过程，在此过程中，母线线路16流经可关断器件15的电流上升。t1时刻可关断器件15断开，母线线路16的电流经缓冲吸收电路1000继续流通。该缓冲吸收电路1000进入吸收可关断器件15关断所产生的能量的过程。也即该特定时间指t1之后的时间。进一步地，该第一特定时间为可关断器件15关断之后的初始阶段。该第二特定时间为可关断器件15关断后初始阶段之后的时间。例如如图3所示，第一特定时间为t1至t2阶段。第二特定时间为 t2至t3阶段。
在本实施例中，第一缓冲能量模块100用于在特定时间的第一特定时间内，吸收可关断器件15关断所产生的能量。也即如图3所示，第一缓冲能量模块 100用于在t1至t2时间内吸收可关断器件15关断所产生的能量。具体地，第一缓冲能量模块100包括第一电容11。该第一电容11并联于可关断器件15。具体地，例如如图1所示，该可关断器件15为IGBT开关，而在其他部分实施例中，所述可关断器件15也可以为IGCT、GTO。在本实施例中，该可关断器件15 并联在母线线路16上。更具体地，第一电容11的两端并联于母线线路16。如此一方面，可关断器件15关断之后的初始阶段，也即t1至t2阶段，母线线路 16向第一电容11转移电荷，从而该第一缓冲能量模块100在该第一特定时间内，吸收可关断器件15关断所产生的能量。另一方面第一缓冲能量模块100 的第一电容11并未串联具有阻抗的器件。如此可以避免因母线线路16向第一电容11转移电荷时受到具有阻抗的器件的限制而无法将母线线路16的电荷转移至第一电容11上。
进一步地，第一电容11为无感电容。且第一电容11具有容值C1，该第一电容的容值C1小于第一预设容值。具体地，第一电容11的容值C1的选择受限于可关断器件15开通时，C1直接放电不能使得可关断器件15过流损坏。也即第一预设容值为可关断器件15开通时，第一电容11直接放电不能使得可关断器件15过流损坏的相应电容值。具体地，第一电容11的电容C1可以为：
Figure BDA0003224206660000051
其中，K为系数，ISC为可关断器件15能承受的最大短路电流值，tr为可关断器件15的开通时间，Ures为可关断器件15关断后其两端稳定后的电压值。该可关断器件15的开通时间tr为可关断器件15从断开到开关两端的电压稳定的时间。
例如，若可关断器件15能承受的最大短路电流值ISC为5安培，可关断器件15的开通时间tr为6秒，可关断器件15关断后其两端稳定后的电压值Ures为1V， K为0.8，那么第一电容11容值
Figure BDA0003224206660000061
也即C1＜24。
在本实施例中，第二缓冲能量模块200用于在特定时间的第二特定时间内，具有使能状态，以吸收可关断器件15关断所产生的能量，其中所述第二特定时间晚于所述第一特定时间。也即如图3所示，第二缓冲能量模块200用于在t2至t3时间内吸收可关断器件15关断所产生的能量。进一步地，如图1所示，第二缓冲能量模块200的两端分别与母线线路16的两端并联连接。也即第二缓冲能量模块200与可关断器件15相并联。
在本实施例中，第二缓冲能量模块200包括：使能触发单元。该使能触发单元用于控制第二缓冲能量模块处于使能状态。该使能触发单元为二极管21。该二极管21例如可以是整流二极管21，也可以为开关二极管21。第二缓冲能量模块200还包括：能量吸收单元。该能量吸收单元与使能触发单元相连，用于吸收可关断器件15关断所产生的能量。该能量吸收单元包括第二电容18。且，该能量吸收单元还包括第一电阻23。该第一电阻23与第二电容18串联，且第一电阻23与使能触发单元的二极管21并联。例如如图1所示，二极管21 与第一电阻23并联后与第二电容18串联，再与第一电容11并联。如此，第二缓冲能量模块200形成RCD缓冲电路。如图1所示，二极管21的正极和负极分别与第一电阻23的第一端和第二端连接。二极管21的负极和第一电阻23的第二端均与第二电容18的第一端连接。二极管21的正极和第一电阻23的第一端均与第一电容11的第一端连接。第二电容18的第二端与第一电容11的第二端连接。如图2所示，第一电容11的第一端和第二端分别连接于母线线路16。二极管21的正极连接于母线线路16。第二电容18的第二端连接于与母线线路 16。如此，如图1所示，当二极管21未导通时，母线线路16不能向第二电容 18转移电荷，而只能向第一电容11转移电荷。当二极管21导通时，母线线路 16由向第一电容11转移电荷转变为向第二电容18转移电荷。如此当关断可关断器件15时，缓冲吸收电路1000通过两个时序阶段分别对可关断器件15关断所产生的能量进行吸收。例如如图3所示，当关断可关断器件15之后的特定时间内，该缓冲吸收电路1000按时序先后依次通过第一缓冲能量模块100和第二缓冲能量模块15，从而对可关断器件15关断所产生的能量进行吸收。在第一特定时间时，二极管21未导通，母线线路16向第一电容11转移电荷；在第二特定时间时，二极管21导通，母线线路16向第二电容18转移电荷。
进一步地，由于第二缓冲能量模块200无需在可关断器件15关断的初期(也即缓冲吸收电路1000处于第一能量吸收状态时)承担大电流的通路，因此，不限定该第一电阻是否无感。也即该第一电阻为无感电阻器或者有感电阻器。
进一步地，请参见图2。图2为本发明一实施例所提供的用于固态断路器 2000的缓冲吸收电路1000的电路等效示意图。如图2所示，第一电阻23可以包括第一电抗25。可关断器件15可以包括第二电抗26。母线线路16可以包括第二阻抗28和第三电抗27。压敏电阻31可以包括第四电抗33。
进一步地，第二电容18为无感电容。且第二电容18具有容值C2，该第二电容18的容值大于第二预设容值。具体地，
Figure BDA0003224206660000071
其中，Lres为第三电抗27的电抗值，Is为可关断器件15关断时母线线路16 上的电流值，Up为可关断器件15的最大允许电压峰值。
例如，若第三电抗27的电抗值Lres为5，可关断器件15关断时母线线路16 上的电流值Is为6安培，可关断器件15的最大允许电压峰值Up为10V，那么第二电容18的容值
Figure 3
也即C2＞18。
进一步地，第二电容18的容值C2大于第一缓冲能量模块100的第一电容 11的容值C1。也即第一电容11采用小容量的电容。第二电容18采用大容量的电容。如此，使得二极管21导通后，可关断器件15所产生的能量至少大部分转移至第二电容18。如此第一电容11仅仅吸收可关断器件15关断后，可关断器件15所产生的少部分能量，进而使得可关断器件15再次开通后，第一电容 11对可关断器件15进行转移电荷的电流较小，于是不会损坏可关断器件15。而当可关断器件15再次开通后，由于第一电阻23的存在，第二电容18对可关断器件15进行转移电荷的电流较小，因此也不会损坏可关断器件15。
在一些实施例中，缓冲吸收电路1000还包括：能量吸收模块300。该能量吸收模块300用于在特定时间的第三特定时间内，吸收可关断器件15关断所产生的剩余能量，其中所述第三特定时间晚于所述第二特定时间。例如如图3所示，该第三特定时间为t3至t4阶段。
进一步地，能量吸收模块300包括与第一缓冲能量模块100和第二缓冲能量模块200相并联的压敏电阻31。进一步地，该压敏电阻31可以是氧化锌压敏电阻31。
进一步地，能量吸收模块300与可关断器件15相并联。能量吸收模块300 能够吸收母线线路16故障产生的能量。具体地，在第三特定时间内，母线线路 16由向第二电容18转移电荷转变为向能量吸收模块300转移电荷。例如如图3 所示，图3示出了本发明实施例中母线线路16上发生了故障后缓冲吸收电路 1000的缓冲吸收过程中电压电流波形。具体地，如图3所示，横轴为时间、纵轴为电流值和/或电压值。如图3所示，t0至t1为短路过程，在此过程中母线线路16流经可关断器件15的电流增大。于t1时刻，可关断器件15断开，母线线路16的电流经缓冲吸收电路1000继续流通。该缓冲吸收电路1000进入缓冲吸收过程。其中，t3至t4为缓冲吸收电路1000处于第三特定时间内。如此，当母线线路16发生故障(例如短路)时，可以通过能量吸收模块300对母线线路 16上多余的能量进行吸收，从而保障可关断器件15的安全性。
进一步地，第二缓冲能量模块200与可关断器件15之间、第一电阻23与二极管21之间以及第一电阻23和/或二极管21与第二电容18之间均采用铜排连接。
结合图4所示，本发明还提供了一种固态断路器2000，其包括：如上述实施例所述的缓冲吸收电路1000。缓冲吸收电路1000的具体结构如上文所述，在此不再赘述。
可选地，固态断路器2000包括：母线线路16，缓冲吸收电路1000的第一缓冲能量模块100和第二缓冲能量模块200均连接于母线线路16。可选地，固态断路器2000的可关断器件15也连接于母线线路16。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的和区别类似的对象，两者之间并不存在先后顺序，也不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种用于固态断路器的缓冲吸收电路，其特征在于，在所述固态断路器的可关断器件为关断之后的特定时间内，所述缓冲吸收电路包括：第一缓冲能量模块和第二缓冲能量模块；
所述第一缓冲能量模块用于在所述特定时间的第一特定时间内，吸收所述可关断器件关断所产生的能量；
所述第二缓冲能量模块用于在所述特定时间的第二特定时间内，具有使能状态，以吸收所述可关断器件关断所产生的能量，其中所述第二特定时间晚于所述第一特定时间。
2.根据权利要求1所述的缓冲吸收电路，其特征在于，所述第一缓冲能量模块包括：第一电容；所述第一电容并联于所述固态断路器的可关断器件。
3.根据权利要求2所述的缓冲吸收电路，其特征在于，所述第一电容为无感电容，且所述第一电容的容值小于第一预设容值。
4.根据权利要求1所述的缓冲吸收电路，其特征在于，所述第二缓冲能量模块包括：使能触发单元，所述使能触发单元用于控制所述第二缓冲能量模块处于使能状态。
5.根据权利要求4所述的缓冲吸收电路，其特征在于，所述使能触发单元为二极管。
6.根据权利要求4所述的缓冲吸收电路，其特征在于，所述第二缓冲能量模块包括：能量吸收单元，所述能量吸收单元与所述使能触发单元相连，用于吸收所述可关断器件关断所产生的能量。
7.根据权利要求6所述的缓冲吸收电路，其特征在于，所述能量吸收单元包括第二电容，所述第二电容为无感电容，且所述第二电容的容值大于第二预设容值。
8.根据权利要求7所述的缓冲吸收电路，其特征在于，所述第二电容的容值大于所述第一缓冲能量模块的第一电容的容值。
9.根据权利要求7所述的缓冲吸收电路，其特征在于，所述能量吸收单元还包括第一电阻，所述第一电阻与所述第二电容串联，并且所述第一电阻与所述使能触发单元的二极管并联。
10.根据权利要求1所述的缓冲吸收电路，其特征在于，所述缓冲吸收电路还包括：能量吸收模块，所述能量吸收模块用于在所述特定时间的第三特定时间内，吸收所述可关断器件关断所产生的剩余能量，其中所述第三特定时间晚于所述第二特定时间。
11.根据权利要求10所述的缓冲吸收电路，其特征在于，所述能量吸收模块包括压敏电阻。
12.一种固态断路器，其特征在于，其包括：如权利要求1至11中任一项所述的缓冲吸收电路。
13.根据权利要求12所述的固态断路器，其特征在于，其包括：母线线路，所述第一缓冲能量模块和所述第二缓冲能量模块均连接于所述母线线路。
14.根据权利要求13所述的固态断路器，其特征在于，所述可关断器件连接于所述母线线路。
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