CN114884495B - 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 - Google Patents

Abstract

本发明属于固态开关领域，具体涉及了一种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，旨在解决现有技术无法使用半导体模块的多个器件来提升器件利用率，降低损耗、减少资源消耗的问题。本发明包括：半导体模块1包括全控器件S1和全控器件S3，半导体模块2包括全控器件S2和全控器件S4；全控器件S1和全控器件S2串联构成固态开关的主通流支路，用于实现主支路两侧的系统中的电流流通；全控器件S3、全控器件S4和避雷器MOV1串联构成固态开关的能量吸收支路，用于吸收系统故障时的故障电流及能量；避雷器MOV2和避雷器MOV3为固态开关的承压模块，用于承受器件开断的部分电压，降低避雷器MOV1承受的静态电压。本发明器件利用率高，损耗低、资源消耗小。

Description

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

技术领域

本发明属于固态开关领域，具体涉及了一种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。

背景技术

对半导体器件芯片而言，目前的大功率商业化半导体芯片多面向高频变换器场景研发，其设计参数需综合考虑开关频率、导通损耗、开关损耗、器件耐压等指标，在多目标优化过程多参数间需要相互妥协。因此传统器件的导通损耗对固态开关这一特定低频应用场景而言普遍偏高，一方面多个固态开关装入系统显著降低了系统效率和器件利用率，另一方面大功率固态开关需要单独匹配水冷系统，显著增加了固态开关产品的成本、体积、复杂度、降低了产品可靠性。

而对半导体器件模块而言，目前的大功率半导体模块（如：晶闸管、IGBT、SiCMOSFET等）多以桥臂形式封装成模块，如图1所示，从而使其更适配变流器场景。而固态开关通常面临双向阻断故障的应用场景，需要半导体器件反向并联或串联。这就导致在通常情况下一个模块难以满足固态开关的需求，桥臂形式封装的大功率半导体模块通常只能有一个用于固态开关中发挥作用，器件利用率只有一半，这大大增加了固态开关中半导体模块的使用数量。

已有技术一般只能通过一些方法来改善避雷器(MOV)的特性曲线，从而尽可能提高模块中半导体器件的电压利用率，主要包括：（1）采用瞬态电压抑制（TVS）二极管替代MOV，但是成本特别高昂，（2）通过并联多个MOV，使得单个MOV的最大电流减小，从而减小Vres的值，这个方法也增加了系统的体积和成本；（3）通过间隙避雷器和MOV串联混合使用[1]，但是有间隙避雷器体积较大，另外特性离散，寿命不确定。

总之，现有方法都是在半导体模块的低利用率基础上去想办法提高单器件的电压或者电流利用率，对尽可能多的使用模块中器件的数量方面研究较少。

以下文献是与本发明相关的技术背景资料：

[1] 张翔宇、刘珂鑫、齐磊、马慧远，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，2021-08-24，CN2021109777792。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术无法使用半导体模块的多个器件来提升器件利用率，降低损耗、减少资源消耗的问题，本发明提供了一种基于半导体模块的固态开关，所述固态开关包括半导体模块1、半导体模块2、避雷器MOV1、避雷器MOV2和避雷器MOV3；

所述半导体模块1包括全控器件S1和全控器件S3，所述半导体模块2包括全控器件S2和全控器件S4；

所述全控器件S1和所述全控器件S2串联构成所述固态开关的主通流支路，用于实现主支路两侧的系统中的电流流通；

所述全控器件S3、所述全控器件S4和所述避雷器MOV1串联构成所述固态开关的能量吸收支路，用于吸收系统故障时的故障电流及能量；

所述避雷器MOV2和所述避雷器MOV3为所述固态开关的承压模块，用于承受器件开断的部分电压，降低所述避雷器MOV1承受的静态电压。

在一些优选的实施例中，所述半导体模块1还设置有二极管D1、二极管D3；

所述二极管D1并联设置于所述全控器件S1的两端，所述二极管D3并联设置于所述全控器件S3的两端。

在一些优选的实施例中，所述半导体模块2还设置有二极管D2、二极管D4；

所述二极管D2并联设置于所述全控器件S2的两端，所述二极管D4并联设置于所述全控器件S4的两端。

在一些优选的实施例中，所述固态开关，其部件连接关系为：

所述全控器件S1的第一端、所述二极管D1的阳极、所述全控器件S2的第一端以及所述二极管D2的阳极连接到一起；

所述全控器件S1的第二端、所述二极管D1的阴极、所述全控器件S3的第一端、所述二极管D3的阳极以及所述避雷器MOV2的第一端连接到一起作为所述固态开关的输入端；

所述全控器件S3的第二端、所述二极管D3的阴极以及所述避雷器MOV2的第二端连接至所述避雷器MOV1的第一端；

所述全控器件S2的第二端、所述二极管D2的阴极、所述全控器件S4的第一端、所述二极管D4的阳极以及所述避雷器MOV3的第一端连接到一起作为所述固态开关的输出端；

所述全控器件S4的第二端、所述二极管D4的阴极以及所述避雷器MOV3的第二端连接至所述避雷器MOV1的第二端。

在一些优选的实施例中，所述半导体模块1为单个模块组成的单向电路，或者由两个模块组成的双向电路，或者由多个模块串联组成的电路；

所述半导体模块2为单个模块组成的单向电路，或者由两个模块组成的双向电路，或者由多个模块串联组成的电路。

在一些优选的实施例中，所述半导体模块1为IGBT模块、IGCT模块、MOSFET模块、SiC模块、或者GaN模块中的一种；

所述半导体模块2为IGBT模块、IGCT模块、MOSFET模块、SiC模块、或者GaN模块中的一种。

本发明的另一方面，提出了一种固态开关的半导体模块利用率提升方法，基于上述的基于半导体模块的固态开关，所述半导体模块利用率提升方法为：

根据系统最大故障电流、系统电感以及避雷器MOV1的钳位电压，计算避雷器MOV1的吸收能量，根据避雷器MOV1的静态额定电压和系统电压，计算避雷器MOV2和避雷器MOV3的承受电压；

基于所述避雷器MOV1的吸收能量以及所述避雷器MOV2和避雷器MOV3的承受电压，进行避雷器MOV1、避雷器MOV2和避雷器MOV3的配置；

基于配置好的固态开关，实现系统电网稳态和短路故障暂态的双向开断控制。

在一些优选的实施例中，所述避雷器MOV1的吸收能量，其表示为：

其中，

为避雷器MOV1的吸收能量，

为系统最大故障电流，

为系统电感，

为避雷器MOV1的钳位电压。

在一些优选的实施例中，所述避雷器MOV2和避雷器MOV3的承受电压，其表示为：

其中，

为避雷器MOV2或避雷器MOV3的承受电压，

为系统电压，

为避雷器 MOV1的静态额定电压。

在一些优选的实施例中，所述系统电网稳态和短路故障暂态的双向开断控制，其方法为：

系统电网稳态时，主通流支路的全控器件S1和全控器件S2处于导通状态，正常导通系统电流，固态开关对系统不产生影响；

若系统右侧发生短路故障，导通能量吸收支路的全控器件S4，并关断主通流支路的全控器件S1，当全控器件S1关断，故障电流流过避雷器MOV1，并触发避雷器MOV1迅速进入钳位吸能状态，故障电流由避雷器MOV1进行吸能，故障电流逐步降低至0，避雷器MOV1的电压逐渐回归稳态，当故障电流下降到0后，关断导通能量吸收支路的全控器件S4，避雷器MOV3接入系统，避雷器MOV1与避雷器MOV3共同承受系统电压；

若系统左侧发生短路故障，导通能量吸收支路的全控器件S3，并关断主通流支路的全控器件S2，当全控器件S2关断，故障电流流过避雷器MOV1，并触发避雷器MOV1迅速进入钳位吸能状态，故障电流由避雷器MOV1进行吸能，故障电流逐步降低至0，避雷器MOV1的电压逐渐回归稳态，当故障电流下降到0后，关断导通能量吸收支路的全控器件S3，避雷器MOV2接入系统，避雷器MOV1与避雷器MOV2共同承受系统电压。

本发明的有益效果：

（1）本发明基于半导体模块的固态开关，通过对传统固态开关的拓扑结构进行改造，使得一个半导体模块的上下两个桥臂器件都可以得到使用，而不是只用到一个，将模块的利用率提升一倍，从而可以有效减少模块中器件的使用数量。

（2）本发明基于半导体模块的固态开关，在关断稳态时，避雷器MOV1和避雷器MOV2/避雷器MOV3共同承压，降低了MOV1的静态额定电压；在暂态时，仅避雷器MOV1吸收系统电感残余能量，避雷器MOV1的瞬时峰值电压由于静态额定电压的降低也可以得到降低，从而使暂态峰值电压与稳态电压的比值更低，器件的电压利用率得到了提高。

（3）本发明基于半导体模块的固态开关，避雷器MOV2和避雷器MOV3在系统中只承压，不吸收能量，也不流过大电流，体积和功率可以非常小，仅需要增加非常少的体积和成本就可以显著提升半导体模块的利用率和开断可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明基于半导体模块的固态开关的拓扑示意图；

图2是本发明基于半导体模块的固态开关一种实施例的避雷器MOV1的特性曲线图；

图3是本发明基于半导体模块的固态开关一种实施例的控制策略示意图；

图4是本发明基于半导体模块的固态开关一种实施例的系统电网稳态示意图；

图5是本发明基于半导体模块的固态开关一种实施例的系统右侧短路故障的初始电流流向示意图；

图6是本发明基于半导体模块的固态开关一种实施例的系统右侧短路故障的避雷器MOV1钳位吸能的电流流向示意图；

图7是本发明基于半导体模块的固态开关一种实施例的系统右侧短路故障的避雷器MOV1与避雷器MOV3共同承受系统电压的电流流向示意图；

图8是本发明基于半导体模块的固态开关一种实施例的基于IGBT模块的双向固态开关本拓扑示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明提供一种基于半导体模块的固态开关，一方面可以提高模块中器件的使用数量，另一方面也可以提高器件的电压利用率。

本发明的一种基于半导体模块的固态开关，所述固态开关包括半导体模块1、半导体模块2、避雷器MOV1、避雷器MOV2和避雷器MOV3；

所述半导体模块1包括全控器件S1和全控器件S3，所述半导体模块2包括全控器件S2和全控器件S4；

所述全控器件S1和所述全控器件S2串联构成所述固态开关的主通流支路，用于实现主支路两侧的系统中的电流流通；

所述全控器件S3、所述全控器件S4和所述避雷器MOV1串联构成所述固态开关的能量吸收支路，用于吸收系统故障时的故障电流及能量；

所述避雷器MOV2和所述避雷器MOV3为所述固态开关的承压模块，用于承受器件开断的部分电压，降低所述避雷器MOV1承受的静态电压。

为了更清晰地对本发明基于半导体模块的固态开关进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。

本发明第一实施例的基于半导体模块的固态开关，包括半导体模块1、半导体模块2、避雷器MOV1、避雷器MOV2和避雷器MOV3，各模块详细描述如下：

半导体模块1包括全控器件S1和全控器件S3，半导体模块2包括全控器件S2和全控器件S4。

半导体模块1还设置有二极管D1、二极管D3，二极管D1并联设置于全控器件S1的两端，二极管D3并联设置于全控器件S3的两端；半导体模块2还设置有二极管D2、二极管D4，二极管D2并联设置于全控器件S2的两端，二极管D4并联设置于全控器件S4的两端。

全控器件S1和全控器件S2串联构成固态开关的主通流支路，在系统无故障（即系统电网稳态）时，实现主支路两侧的系统中的大电流流通。

全控器件S3、全控器件S4和避雷器MOV1串联构成固态开关的能量吸收支路，用于吸收系统故障时的故障电流及能量。

避雷器MOV2和避雷器MOV3为固态开关的承压模块，用于承受器件开断的部分电压，降低避雷器MOV1承受的静态电压。

避雷器MOV2和避雷器MOV3，也用于缓解避雷器MOV1吸能所导致的电压过冲，通过合理选择避雷器MOV1的特性曲线以及避雷器MOV2和避雷器MOV3的静态电压，可实现故障电流的最终吸收和半导体模块的电压保护。

避雷器MOV1、避雷器MOV2和避雷器MOV3可以采用氧化锌避雷器，也可以采用氧化硅，碳化硅等其他材质的避雷器，也可以采用压敏电阻，过电压抑制型二极管等其他避雷器，其中避雷器MOV2和避雷器MOV3对电流和功率等级没有任何要求。

固态开关，其部件连接关系为：

全控器件S1的第一端、二极管D1的阳极、全控器件S2的第一端以及二极管D2的阳极连接到一起；

全控器件S1的第二端、二极管D1的阴极、全控器件S3的第一端、二极管D3的阳极以及避雷器MOV2的第一端连接到一起作为固态开关的输入端；

全控器件S3的第二端、二极管D3的阴极以及避雷器MOV2的第二端连接至避雷器MOV1的第一端；

全控器件S2的第二端、二极管D2的阴极、全控器件S4的第一端、二极管D4的阳极以及避雷器MOV3的第一端连接到一起作为固态开关的输出端；

全控器件S4的第二端、二极管D4的阴极以及避雷器MOV3的第二端连接至避雷器MOV1的第二端。

半导体模块1和半导体模块2可以是任意全控模块如IGBT/IGCT/MOSFET，SiC，GaN等，可由单个模块组成单向电路，也可由两个模块组成双向电路，还可由多个模块串联组成用在大功率场合，本发明在此不一一详述。

为了保护半导体模块中的器件，还可在模块两端并联缓冲电路，例如括C缓冲电路、RC缓冲电路、RCD缓冲电路等等。

本发明第二实施例的固态开关的半导体模块利用率提升方法，基于上述的基于半导体模块的固态开关，所述半导体模块利用率提升方法为：

本发明基于半导体模块的固态开关中，共使用三个避雷器，避雷器MOV1、避雷器MOV2和避雷器MOV3，其中避雷器MOV1作为吸能器件用于承担故障电流的吸收任务，避雷器MOV2和避雷器MOV3在电流动态变化过程中被全控器件S3和全控器件S4旁路，在MOV1趋于稳态时接入系统并承受一部分直流系统电压，两种避雷器作用各不相同，配置方法也略有差别。

对于避雷器MOV1，主要考虑其电流吸收能力，以吸收能量为主要指标进行配置，根据系统最大故障电流、系统电感以及避雷器MOV1的钳位电压，计算避雷器MOV1的吸收能量，如式（1）所示：

其中，

为避雷器MOV1的吸收能量，

为系统最大故障电流，

为系统电感，

为避雷器MOV1的钳位电压。

如图2所示，为本发明基于半导体模块的固态开关一种实施例的避雷器MOV1的特 性曲线图，

代表避雷器的瞬态峰值电压，

代表避雷器的钳位电压，

代表避雷器 的参考电压，

代表避雷器的静态额定电压，Small current area为电流截止区域， Voltage limiting area代表电压钳位区域，Overload area代表击穿区域。当故障发生后， 由于故障大电流的作用，避雷器MOV1将进入电压钳位区，此时避雷器MOV1两端电压将被冲 至瞬态峰值电压

附近。随着故障电流的减小，避雷器MOV1两端电压也逐渐减小并逐步趋 于稳态，当全控器件S3或全控器件S4关断后，避雷器MOV2或避雷器MOV3接入系统，此时流过 避雷器MOV1的电流只有一个很小的漏电流，避雷器MOV 1两端电压为静态额定电压

。

对于避雷器MOV2和避雷器MOV3，其主要作用是与避雷器MOV1共同承受直流系统电压，根据避雷器MOV1的静态额定电压和系统电压，计算避雷器MOV2和避雷器MOV3的承受电压，如式（2）所示：

其中，

为避雷器MOV2或避雷器MOV3的承受电压，

为系统电压，

为避雷器 MOV1的静态额定电压。

当没有避雷器MOV2和避雷器MOV3时，电压关系可表示为式（3）：

其中，

为避雷器MOV1的静态额定电压，

为系统电压。

由此可知，由于有避雷器MOV2或避雷器MOV3的

承压，避雷器MOV1的

的值明 显减小，因此，在避雷器MOV1选型时可以选择静态额定电压更小的MOV1，相当于可以选择特 性曲线更低的避雷器，其瞬态峰值电压

也可以相应减小。这意味着由故障大电流所导致 的电压过冲也明显减小，进而保护了半导体模块中的器件，也提高了器件的电压利用率。

同时，避雷器MOV2和避雷器MOV3仅在静态时承压，不需要流过大电流，也不吸收能量，因此体积和功率可以做的非常小，对成本增加也不多。仅需要增加非常少的体积和成本就可以显著提升半导体模块的利用率和开断可靠性。

基于所述避雷器MOV1的吸收能量以及所述避雷器MOV2和避雷器MOV3的承受电压，进行避雷器MOV1、避雷器MOV2和避雷器MOV3的配置。

基于配置好的固态开关，实现系统电网稳态和短路故障暂态的双向开断控制：

系统电网稳态时，主通流支路的全控器件S1和全控器件S2处于导通状态，正常导通系统电流，固态开关对系统不产生影响；

若系统右侧发生短路故障，导通能量吸收支路的全控器件S4，并关断主通流支路的全控器件S1，当全控器件S1关断，故障电流流过避雷器MOV1，并触发避雷器MOV1迅速进入钳位吸能状态，故障电流由避雷器MOV1进行吸能，故障电流逐步降低至0，避雷器MOV1的电压逐渐回归稳态，当故障电流下降到0后，关断导通能量吸收支路的全控器件S4，避雷器MOV3接入系统，避雷器MOV1与避雷器MOV3共同承受系统电压；

若系统左侧发生短路故障，导通能量吸收支路的全控器件S3，并关断主通流支路的全控器件S2，当全控器件S2关断，故障电流流过避雷器MOV1，并触发避雷器MOV1迅速进入钳位吸能状态，故障电流由避雷器MOV1进行吸能，故障电流逐步降低至0，避雷器MOV1的电压逐渐回归稳态，当故障电流下降到0后，关断导通能量吸收支路的全控器件S3，避雷器MOV2接入系统，避雷器MOV1与避雷器MOV2共同承受系统电压。

如图3所示，为本发明基于半导体模块的固态开关一种实施例的控制策略示意图，在尽可能多利用模块当中器件的同时，依旧保证固态断路器的双向开断能力，故障开断的控制主要依靠将电流检测信号传递到控制器，再由控制器来控制半导体模块1当中全控器件S1、全控器件S2和半导体模块2当中全控器件S3和全控器件S4的驱动状态，进而控制故障电流的流向，控制器在完成短路故障检测的同时，也对开关器件的驱动状态进行实时监测。

如图4所示，为本发明基于半导体模块的固态开关一种实施例的系统电网稳态示意图，在电网稳态时，主通流支路的全控器件S1和全控器件S2处于导通状态，正常导通系统电流，固态开关对系统不产生影响。

如图5所示，为本发明基于半导体模块的固态开关一种实施例的系统右侧短路故障的初始电流流向示意图，一旦发生短路故障，固态断路器将进入短路故障暂态，以系统右侧发生短路故障为例，控制器判定短路故障之后，立即导通能量吸收支路的全控器件S4，并关断主通流支路的全控器件S1。

如图6所示，为本发明基于半导体模块的固态开关一种实施例的系统右侧短路故障的避雷器MOV1钳位吸能的电流流向示意图，当全控器件S1完成关断后，故障电流将不再流经主通流支路，而是流过避雷器MOV1，故障大电流将触发避雷器MOV1迅速进入钳位吸能状态，故障电流由避雷器MOV1进行吸能。

如图7所示，为本发明基于半导体模块的固态开关一种实施例的系统右侧短路故障的避雷器MOV1与避雷器MOV3共同承受系统电压的电流流向示意图，在避雷器MOV1吸能过程中，故障电流将逐步降低直至下降至0，避雷器MOV1的电压也逐渐回归稳态，当电流下降到0后，关断全控器件S4，此时避雷器MOV3将接入系统当中，避雷器MOV1与避雷器MOV3共同承受系统电压，降低避雷器MOV1在静态时所承受的电压。

器件的利用率分为电流利用率和电压利用率，本发明主要是对电压利用率做提升，利用率提升公式为：Vdc/Vmax。通过使用多个避雷器MOV来进行分段接入，一方面，使得本发明固态开关中的器件可以用在更低的电压等级，如：1200V的器件原来只能用在375V等级，现在可以用在750V的场景；另一方面，若应用场景的电压等级不变，则可以使用电压更低的器件，如：375V的场景原来需要使用1200V的器件，现在使用650V器件即可。

如图8所示，为本发明基于半导体模块的固态开关一种实施例的基于IGBT模块的双向固态开关本拓扑示意图，可将系统的工作状态分为稳态和短路故障暂态两种：

当系统处于稳态时，额定系统电流正常流过主通流支路，主通流支路进行双向通流，电流流通路径为: L_line→S1→S2；

当系统发生短路故障时，进入短路故障暂态：以系统右侧发生短路故障为例，控制器收到故障信号后，进行故障识别，并在故障识别完成后导通能量吸收支路的全控器件S4导通，并关断主通流支路全控器件S1；在全控器件S1关断后，故障电流将不再流经主通流支路，而是流过避雷器MOV1和全控器件S4，故障大电流将触发避雷器MOV1迅速进入钳位吸能状态，故障电流由避雷器MOV1进行吸能；在避雷器MOV1吸能过程中，故障电流将逐步降低直至下降至0，避雷器MOV1的电压也逐渐回归稳态；当电流下降到0后，关断全控器件S4，此时避雷器MOV3将接入系统当中，与避雷器MOV1一起承受系统直流电压，从而可以降低避雷器MOV1的静态额定电压。

系统左侧故障的运行状态可参照上述的系统右侧故障，本发明在此不一一详述。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的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，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于半导体模块的固态开关，其特征在于，所述固态开关包括半导体模块1、半导体模块2、避雷器MOV1、避雷器MOV2和避雷器MOV3；

所述半导体模块1包括二极管D1、二极管D3、全控器件S1和全控器件S3，所述二极管D1并联设置于所述全控器件S1的两端，所述二极管D3并联设置于所述全控器件S3的两端；

所述半导体模块2包括二极管D2、二极管D4、全控器件S2和全控器件S4，所述二极管D2并联设置于所述全控器件S2的两端，所述二极管D4并联设置于所述全控器件S4的两端；

所述全控器件S1和所述全控器件S2串联构成所述固态开关的主通流支路，用于实现主支路两侧的系统中的电流流通；

所述全控器件S3、所述全控器件S4和所述避雷器MOV1串联构成所述固态开关的能量吸收支路，用于吸收系统故障时的故障电流及能量；

所述避雷器MOV2和所述避雷器MOV3为所述固态开关的承压模块，用于承受器件开断的部分电压，降低所述避雷器MOV1承受的静态电压；

所述固态开关，其部件连接关系为：

所述全控器件S1的第一端、所述二极管D1的阳极、所述全控器件S2的第一端以及所述二极管D2的阳极连接到一起；

所述全控器件S1的第二端、所述二极管D1的阴极、所述全控器件S3的第一端、所述二极管D3的阳极以及所述避雷器MOV2的第一端连接到一起作为所述固态开关的输入端；

所述全控器件S3的第二端、所述二极管D3的阴极以及所述避雷器MOV2的第二端连接至所述避雷器MOV1的第一端；

所述全控器件S2的第二端、所述二极管D2的阴极、所述全控器件S4的第一端、所述二极管D4的阳极以及所述避雷器MOV3的第一端连接到一起作为所述固态开关的输出端；

所述全控器件S4的第二端、所述二极管D4的阴极以及所述避雷器MOV3的第二端连接至所述避雷器MOV1的第二端。

2.根据权利要求1所述的基于半导体模块的固态开关，其特征在于，所述半导体模块1为单个模块组成的单向电路，或者由两个模块组成的双向电路，或者由多个模块串联组成的电路；

所述半导体模块2为单个模块组成的单向电路，或者由两个模块组成的双向电路，或者由多个模块串联组成的电路。

3.根据权利要求2所述的基于半导体模块的固态开关，其特征在于，所述半导体模块1为IGBT模块、IGCT模块、MOSFET模块、SiC模块、或者GaN模块中的一种；

所述半导体模块2为IGBT模块、IGCT模块、MOSFET模块、SiC模块、或者GaN模块中的一种。

4.一种固态开关的半导体模块利用率提升方法，其特征在于，基于权利要求1-3任一项所述的基于半导体模块的固态开关，所述半导体模块利用率提升方法为：

根据系统最大故障电流、系统电感以及避雷器MOV1的钳位电压，计算避雷器MOV1的吸收能量，根据避雷器MOV1的静态额定电压和系统电压，计算避雷器MOV2和避雷器MOV3的承受电压；

基于所述避雷器MOV1的吸收能量以及所述避雷器MOV2和避雷器MOV3的承受电压，进行避雷器MOV1、避雷器MOV2和避雷器MOV3的配置；

基于配置好的固态开关，实现系统电网稳态和短路故障暂态的双向开断控制。

5.根据权利要求4所述的固态开关的半导体模块利用率提升方法，其特征在于，所述避雷器MOV1的吸收能量，其表示为：

其中，

为避雷器MOV1的吸收能量，

为系统最大故障电流，

为系统电感，

为避雷器MOV1的钳位电压。

6.根据权利要求4所述的固态开关的半导体模块利用率提升方法，其特征在于，所述避雷器MOV2和避雷器MOV3的承受电压，其表示为：

其中，

为避雷器MOV2或避雷器MOV3的承受电压，

为系统电压，

为避雷器MOV1的静态额定电压。

7.根据权利要求4所述的固态开关的半导体模块利用率提升方法，其特征在于，所述系统电网稳态和短路故障暂态的双向开断控制，其方法为：

系统电网稳态时，主通流支路的全控器件S1和全控器件S2处于导通状态，正常导通系统电流，固态开关对系统不产生影响；

若系统右侧发生短路故障，导通能量吸收支路的全控器件S4，并关断主通流支路的全控器件S1，当全控器件S1关断，故障电流流过避雷器MOV1，并触发避雷器MOV1迅速进入钳位吸能状态，故障电流由避雷器MOV1进行吸能，故障电流逐步降低至0，避雷器MOV1的电压逐渐回归稳态，当故障电流下降到0后，关断导通能量吸收支路的全控器件S4，避雷器MOV3接入系统，避雷器MOV1与避雷器MOV3共同承受系统电压；

若系统左侧发生短路故障，导通能量吸收支路的全控器件S3，并关断主通流支路的全控器件S2，当全控器件S2关断，故障电流流过避雷器MOV1，并触发避雷器MOV1迅速进入钳位吸能状态，故障电流由避雷器MOV1进行吸能，故障电流逐步降低至0，避雷器MOV1的电压逐渐回归稳态，当故障电流下降到0后，关断导通能量吸收支路的全控器件S3，避雷器MOV2接入系统，避雷器MOV1与避雷器MOV2共同承受系统电压。

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