CN114448408B - 一种基于阴极短路栅控晶闸管的直流固态断路器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电子技术领域，具体的说涉及一种基于阴极短路栅控晶闸管的直流固态断路器。本发明包括由直流电源VD、第一CS‑MCT(T1)、负载(ZL)构成的主回路、由第二CS‑MCT(T2)，第一电容(C1)和第二电容(C2)，变压器(T)，电阻(R)，二极管(D)构成的换流回路、由压敏电阻(MOV)构成的保护单元、由霍尔电流传感器和电压比较器构成的监测单元和栅极控制单元。其特点是：采用内部固有寄生晶闸管，具有低导通电阻、高di/dt能力的CS‑MCT作为半导体开关，结合监测单元和栅极控制单元可以实现故障电流的迅速中断。与传统固态断路器相比，基于CS‑MCT的固态短路器不仅具有中断故障电流的能力，而且具有功耗低，响应速度快的优势。

Description

一种基于阴极短路栅控晶闸管的直流固态断路器
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体而言为一种基于阴极短路栅控晶闸管(Cathode-Short MOS-Controlled Thyristor，简称：CS-MCT)的直流固态断路器。
背景技术
近年来随着经济和技术的发展，分布式微电网以及直流数据中心等新兴领域发展迅速，相应的，直流输(配)电网络也愈发受到重视。相较于传统交流输(配)电网络，其不仅能量效率高而且可靠性更好，但由于直流输(配)电网络系统阻抗小，一旦发生短路故障，其故障电流会急剧上升，易对整个系统造成不可逆的损害。同时，相较于传统交流输(配)电网络，直流输(配)电网络没有电压过零点，这对直流断路器提出了更高的要求。传统的机械式断路器(Mechanical Circuit Breaker,MCB)在中断故障的过程中的脱扣动作会产生电弧，导致接触电极被烧蚀，工作寿命较短；同时，MCB响应时间较长，一般为几十到几百毫秒，难以满足直流应用下的故障中断速度要求；另外，MCB在一次保护动作完成后需要人工对其进行复位操作，不仅不利于运营成本控制，而且使得输(配)电网络的智能化管理难以实现。因此，基于功率半导体器件的固态断路器(Solid State Circuit Breaker，SSCB)以其较短的故障响应时间、更长的使用寿命及易于智能控制的优点而备受瞩目。
虽然SSCB有上述优点，但相较于MCB，SSCB由于其导通压降较大，能量损耗大于MCB。现如今市场主流SSCB大多是以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为开关器件，但由于IGBT在导通时发射极侧存在反偏PN结，导通压降较大。另外，市场上也有部分SSCB以低导通压降的晶闸管(SCR)作为开关器件。但出于晶闸管是流控型器件的原因，其驱动和保护电路的设计复杂而且经济性较差。近年来，以SiC和GaN为代表的宽禁带功率半导体器件因其本身的优良性能而被作为SSCB应用的良好选择，但出于技术成熟度及经济性上的考量，在未来一段时间硅基功率器件仍然会是SSCB应用的主流选择。
上述因素均制约了直流输(配)电网络的发展。
发明内容
本发明旨在提出一种基于阴极短路栅控晶闸管(CS-MCT)的直流固态断路器，以解决上述问题。CS-MCT因其固有的的阴极短路晶闸管结构，而拥有较低的导通压降，使以其为核心开发的SSCB功耗较低。本发明利用驱动简单、导通功耗低、可靠性高、经济性好的硅基压控功率器件，并配以结构简单的断路器拓扑与驱动策略，实现了一种小体积、低功耗、低成本、快速响应的直流固态断路器。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种基于CS-MCT的直流固态断路器，断路器的拓扑结构如图1；包括直流电源VD、第一CS-MCTT1、负载ZL、第二CS-MCTT2、第一电容C1、第二电容C2、变压器T、电阻R、二极管D、压敏电阻MOV、霍尔电流传感器和电压比较器；
第一CS-MCTT1的阳极与压敏电阻MOV的一端、二极管D的阳极、第二电容C2一端、第二CS-MCTT2的阳极及直流电源VD的正极连接在一起，第一CS-MCTT1的阴极通过霍尔电流传感器后与负载ZL的一端、压敏电阻MOV的另一端、变压器T原边绕组同名端连接；二极管D的阴极与第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端接变压器T原边绕组异名端；变压器T副边绕组同名端接第二CS-MCTT2阴极，变压器T副边绕组异名端接第二电容C2的另一端和电阻R的一端；电阻R的另一端接电源VD的负极和负载ZL的另一端；
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，电压比较器的另一个输入端接比较电压VT，电压比较器的输出端接栅极控制单元的输入端；所述栅极控制单元的输出端连接到第一CS-MCTT1的栅极和第二CS-MCTT2的栅极。
进一步的，直流电源VD、第一CS-MCTT1、负载ZL构成主回路，在正常工作时，第一CS-MCTT1导通，第二CS-MCTT2关断；
第二CS-MCTT2、第一电容C1、第二电容C2、变压器T、电阻R和二极管D构成换流回路，在正常工作时，通过直流电源VD-第二电容C2-电阻R回路给第二电容C2预充上和直流电源VD一样的电压；
霍尔电流传感器和电压比较器构成监测单元，发生短路后，主回路的电流上升，使得霍尔电流传感器的输出电压信号增大，当增大到超过预设比较电压VT时，则会触发栅极驱动模块工作，关闭第一CS-MCTT1，并开启第二CS-MCTT2，此时换流回路通过第二电容C2、第二CS-MCTT2和变压器T构成的回路放电，放电电流流经第一CS-MCTT1的方向与短路电流相反。
其中，预设的触发保护信号可以根据实际电路的保护需求进行针对性设置，而栅极控制单元可依据电流监测单元给出的信号和内部预设的触发保护信号进行比较，再根据比较结果对第一CS-MCTT1、第二CS-MCTT2进行控制。
其中，本发明采用的电路拓扑简单，仅需少量无源器件和功率器件，且主回路的直流电源可直接对第一电容C1进行预充电，无需额外充电电源，使得整个SSCB系统体积小、成本低。
其中，本发明的保护功能触发简单，仅需一个电压信号就能触发换流回路工作实现电路关断保护，使得整个SSCB系统简单可靠、响应迅速。而且基于CS-MCT的极高di/dt能力及低导通压降，该SSCB系统功耗小、关断迅速可靠。
本发明的有益效果为，在满足经济性的同时，相较于传统的基于IGBT、SCR的SSCB该发明的功耗大为降低，提升了能源利用效率，并且结构紧凑、驱动简单、响应迅速。
附图说明
图1是本发明中的一种基于CS-MCT的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是本发明的电路仿真结果；
图4是CS-MCT结构图；
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的直流断路器的电路拓扑图，包括主回路、换流回路、保护单元、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和图3所示，当直流系统处于正常工作状态时，T1处于导通状态，T2处于关断状态；电流一方面流经主回路，另一方面通过VD-C2-R回路给第二电容C2预充上和VD一样的电压，电压极性为右正左负。当负载ZL在t1时刻发生短路故障时，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。在t2时刻霍尔电流传感器输出电压增大到超过预设电压值时，则会触发栅极控制模块工作，关闭T1，且同时开启T2。从而第二电容C2通过回路C2-T2-T放电，在t2-t3时间段内该回路电流先上升后下降，并通过变压器T在回路T-T1-D-C1上形成电流，此电流流经T1的方向与短路电流相反。由于，放电电流的上升率比短路电流的上升率大，所以迫使T1上的电流下降到零，因此T1可以天然关断，有效且迅速地将故障电路切断。T1关断后，第二电容C2通过回路C2-T2-T进行谐振。直到该回路上电流下降到T2最大可关断电流的能力范围内，则T2关断。在这之后，第二电容C2通过回路VD-C2-R重新预充上和直流电源VD一样的电压，电压极性为右正左负，为下一次断路保护做准备。
如图4所示，为CS-MCT的具体结构，其内部固有寄生晶闸管结构。系统正常工作时，断路器上产生的功耗绝大部分是来自固态开关器件的导通功耗和驱动功耗。对固态开关器件而言，其导通压降的降低对提升断路器的效率至关重要。由于CS-MCT内部固有的寄生晶闸管结构会在CS-MCT导通时被触发开启，因此CS-MCT在导通时具有低的导通压降。以一些常见商用器件为例，在25A的导通电流下，英飞凌公司的IKW25N120T2型IGBT的导通压降为1.7V，英飞凌公司的IMW120R060M1H型碳化硅MOSFET的导通压降为1.5V，意法半导体公司的TN4050-12PI型可控硅器件的导通压降为1.3V，而此时CS-MCT的导通压降仅为1.1V。此外，CS-MCT是压控器件，相比于流控型器件，CS-MCT具有更加简单的驱动电路，可以减少在驱动电路上的能量损耗。

Claims (1)

1.一种基于阴极短路栅控晶闸管的直流固态断路器，其特征在于，包括直流电源VD、第一CS-MCT(T1)、负载(ZL)、第二CS-MCT(T2)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、变压器(T)、电阻(R)、二极管(D)、压敏电阻(MOV)、霍尔电流传感器和电压比较器；
第一CS-MCT(T1)的阳极与压敏电阻(MOV)的一端、二极管(D)的阳极、第二电容(C2)一端、第二CS-MCT(T2)的阳极及直流电源VD的正极连接在一起，第一CS-MCT(T1)的阴极通过霍尔电流传感器后与负载(ZL)的一端、压敏电阻(MOV)的另一端、变压器(T)原边绕组同名端连接；二极管(D)的阴极与第一电容(C1)的一端连接，第一电容(C1)的另一端接变压器(T)原边绕组异名端；变压器(T)副边绕组同名端接第二CS-MCT(T2)阴极，变压器(T)副边绕组异名端接第二电容(C2)的另一端和电阻(R)的一端；电阻(R)的另一端接电源VD的负极和负载(ZL)的另一端；
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，电压比较器的另一个输入端接比较电压VT，电压比较器的输出端接栅极控制单元的输入端；所述栅极控制单元的输出端连接到第一CS-MCT(T1)的栅极和第二CS-MCT(T2)的栅极；
直流电源VD、第一CS-MCT(T1)、负载(ZL)构成主回路，在正常工作时，第一CS-MCT(T1)导通，第二CS-MCT(T2)关断；
第二CS-MCT(T2)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、变压器(T)、电阻(R)和二极管(D)构成换流回路，在正常工作时，通过直流电源VD-第二电容(C2)-电阻(R)回路给第二电容(C2)预充上和直流电源VD一样的电压；
霍尔电流传感器和电压比较器构成监测单元，发生短路后，主回路的电流上升，使得霍尔电流传感器的输出电压信号增大，当增大到超过预设比较电压VT时，则会触发栅极驱动模块工作，关闭第一CS-MCT(T1)，并开启第二CS-MCT(T2)，此时换流回路通过第二电容(C2)、第二CS-MCT(T2)和变压器(T)构成的回路放电，放电电流流经第一CS-MCT(T1)的方向与短路电流相反。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112311366A (zh) * 2020-10-23 2021-02-02 电子科技大学 基于阴极短路栅控晶闸管的隔离型双向直流固态断路器
CN113765076A (zh) * 2021-08-11 2021-12-07 四川大学华西医院 一种基于晶闸管的双向固态直流断路器

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007064837A2 (en) * 2005-11-30 2007-06-07 Electric Power Research Institute, Inc. A multifunction hybrid solid-state switchgear
CN107592101B (zh) * 2017-09-07 2019-06-04 电子科技大学 一种基于阴极短路栅控晶闸管的直流固态断路器
US10566787B2 (en) * 2017-10-25 2020-02-18 Abb S.P.A. Inrush current detection and control with solid-state switching devices
CN110768651B (zh) * 2019-11-12 2021-03-16 电子科技大学 一种基于阴极短路栅控晶闸管的双向直流固态断路器
CN110808730B (zh) * 2019-11-12 2021-03-30 电子科技大学 一种基于阴极短路栅控晶闸管的直流固态断路器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112311366A (zh) * 2020-10-23 2021-02-02 电子科技大学 基于阴极短路栅控晶闸管的隔离型双向直流固态断路器
CN113765076A (zh) * 2021-08-11 2021-12-07 四川大学华西医院 一种基于晶闸管的双向固态直流断路器

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