CN115132544A - 一种固态直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种固态直流断路器及其控制方法，固态直流断路器包括连接在主线路上的第一开关，还包括开关组件，所述开关组件包括第二开关、半导体功率开关，以及控制半导体功率开关的控制模块，串联的第二开关和半导体功率开关并联在第一开关两端，断路器分闸时，所述第一开关先于第二开关断开，控制模块监测到第一开关从闭合转换为断开后，在第二开关断开之前，控制模块驱动半导体功率开关先导通然后截止。本发明一种固态直流断路器及其控制方法，控制模块使半导体功率开关被短时间导通，利于熄灭电弧，减小电弧对设备的损坏，同时还具有体积小、成本低的优点。

Description

一种固态直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明涉及直流断路器，具体涉及一种固态直流断路器及其控制方法。

背景技术

直流开关导通开断过程中，将会产生直流电弧，该电弧电流在时间上不超过零点，属于非周期变化的，因而相比交流电弧，直流电弧较难熄灭。现有的纯固态断路器，例如Atom Power、ABB等，可以有效解决直流分断的技术问题，但是长期通载使设备温度高、电能损耗大，且成本高，而一些混合式固态断路器，虽然可以在机械开关断开前提前导通半导体功率器件，在机械开关完全断开时关闭半导体功率器件，以达到直流通过半导体功率器件断开的目的，但这种方式需要半导体功率器件承受一定时间的短路电流，所用的半导体功率器件成本高、体积大。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，提供一种成本低、体积小且可靠性高的固态直流断路器及其控制方法。

为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种固态直流断路器，包括连接在主线路上的第一开关，还包括开关组件，所述开关组件包括第二开关、半导体功率开关，以及控制半导体功率开关的控制模块，串联的第二开关和半导体功率开关并联在第一开关两端，断路器分闸时，所述第一开关先于第二开关断开，控制模块监测到第一开关从闭合转换为断开后，在第二开关断开之前，控制模块驱动半导体功率开关先导通然后截止。

进一步，断路器分闸时，由断路器的动作机构同步驱动第一开关和第二开关动作，使第一开关和第二开关先后断开。

进一步，所述控制模块通过监测第一开关位置，和/或第一开关是否产生电弧，和/或主线路电流，和/或半导体功率开关的电压，确定第一开关从闭合转换为断开。

进一步，所述开关组件还包括并联在半导体功率开关两端的电源电路，所述电源电路将半导体开关元件两端的电压转化为工作电源。

进一步，所述开关组件还包括并联在半导体功率开关两端的电压检测电路，所述电压检测电路与控制模块连接用于反馈半导体功率开关的电压。

进一步，所述开关组件还包括第三开关以及与控制模块连接的机械触发电路，第一开关断开能够使第三开关触发机械触发电路，控制模块通过机械触发电路监测第一开关位置。

进一步，在所述主线路上还连接有电弧检测电路，所述电弧检测电路与控制模块连接用于反馈是否产生电弧。

进一步，在所述主线路上还连接有电流检测电路，电流检测电路与控制模块连接用于反馈主线路的电流信号。

进一步，在断路器合闸时，第一开关、第二开关均闭合，半导体功率开关保持截止。

一种固态直流断路器的控制方法，所述固态直流断路器包括开关组件和连接在主线路上的第一开关，所述开关组件包括第二开关、半导体功率开关，以及控制半导体功率开关的控制模块，串联的第二开关和半导体功率开关并联在第一开关两端，断路器分闸时，使所述第一开关先于第二开关断开，且在第一开关断开后第二开关断开之前，驱动半导体功率开关导通然后截止。本发明一种固态直流断路器及其控制方法，断路器分闸时，第一开关与第二开关先后断开，在第一开关断开起弧后且在第二开关断开前，控制模块使半导体功率开关被短时间导通，使第一开关在分断时产生的电弧消失，从而减小电弧对第一开关在分断直流电时的损坏，另外，由于半导体功率开关导通时间极短，半导体功率开关所需要承载的功率比纯固态完全承载要低，比现有的混合式固态直流断路器中半导体开关元件所承载的功率也小，因而具有体积小、成本低的优点。

此外，在半导体功率开关两端并联电源电路，电源电路将半导体功率开关两端的电弧电压或负载电压转化为工作电源，能够为控制模块、电流检测电路、电压检测电路、浪涌吸收装置以及电弧检测电路提供工作电源。

此外，在第一开关分闸起弧时向控制模块反馈信号，反馈信号可以是第一开关的位置信号、半导体功率开关的电压信号、主线路电流信号以及第一开关是否产生电弧信号中的一种或一种以上组合的信号，控制方法多样，适用范围广。

附图说明

图1是本发明一种固态直流断路器的示意图；

图2是本发明一种固态直流断路器的时序特征示意图。

具体实施方式

以下结合附图给出的实施例，进一步说明本发明的一种固态直流断路器及其控制方法的具体实施方式。本发明的一种固态直流断路器及其控制方法不限于以下实施例的描述。

一种固态直流断路器，包括连接在主线路上的第一开关K1，开关组件包括第二开关K2、半导体功率开关Q，以及控制半导体功率开关Q的控制模块，串联的第二开关K2和半导体功率开关Q并联在第一开关K1两端，断路器分闸时所述第一开关K1先于第二开关K2断开，控制模块监测到第一开关K1从闭合转换为断开后，在第二开关K2断开之前，控制模块驱动半导体功率开关Q导通一段时间然后截止，最后第二开关K2断开。

本发明一种固态直流断路器及其控制方法，断路器分闸时，第一开关K1与第二开关K2被驱动后分先后断开，在第一开关K1断开起弧后且在第二开关K2断开前，控制模块使半导体功率开关Q被短时间导通，使第一开关K1在分断时产生的电弧消失，从而减小电弧对第一开关K1在分断直流电时的损坏，另外，由于半导体功率开关Q导通时间极短，半导体功率开关Q所需要承载的功率比纯固态完全承载要低，比现有的混合式固态直流断路器中半导体开关元件所承载的功率也小，因而具有体积小、成本低的优点。

所述固态直流断路器，在合闸时，第一开关K1、第二开关K2均处于闭合状态，半导体功率开关Q保持截止状态，此时闭合的第一开关K1使主线路保持连通，串联的第二开关K2、半导体功率开关Q不会有电流通过，使连接在主线路上的电器设备正常使用；在断路器分闸时(既包括正常分闸，也包括因线路发生故障时的分闸)，第一开关K1分闸起弧，控制模块驱动半导体功率开关Q在第二开关断开之前短时间导通一段时间，此时电弧通过由半导体功率开关Q以及第二开关K2控制的线路熄灭电弧，随后，第二开关K2断开，此时第一开关K1断开，半导体功率开关Q截止，主线路中无电流通过，待正常合闸或故障排除后，能够进行正常合闸。

其中，在第一开关K1分闸起弧时，控制模块根据所接收的反馈信号控制半导体功率开关Q，反馈信号可以是第一开关K1的位置信号、半导体功率开关Q的电压信号、主线路的电流信号以及第一开关K1是否产生电弧的信号，多种反馈信号可以单独使用或任意两种或两种以上组合使用，控制方法多样，适用性更强。

优选的，第一开关K1、第二开关K2由断路器中同一个动作机构同步驱动，将第一开关K1、第二开关K2设置在动作机构的不同动作行程内，例如，第一开关K1对应设置在动作机构的动作行程起点位置，第二开关K2对应设置在动作机构的动作行程终点位置。断路器的操作机构可以作为动作机构之一，在断路器正常分合闸时，由操作机构驱动第一开关K1断开或闭合，在主线路发生故障时，例如短路故障，断路器的热脱扣机构触发操作机构使第一开关K1、第二开关K2动作，但需要保证第一开关K1先断开。

另外，第一开关K1以及第二开关K2的先后断开可以由两个不同的动作机构分步驱动，例如，第一开关K1由断路器中的动作机构驱动，比如操作机构，将第二开关K2设置在第一开关K1的动作行程内，如此，第一开关K1可以作为驱动第二开关K2的动作机构，在动作机构驱动第一开关K1断开后，在第一开关K1移动至第二开关K2所对应的行程位置时，触发第二开关K2断开。

结合图1、2提供第一种固态直流断路器以及其控制方法的实施例。所述固态直流断路器，包括连接在主线路上的动作机构和第一开关K1，第一开关K1与动作机构串联在主线路的输入端子与输出端子之间，本实施例中热脱扣机构能够触发作为动作机构的操作机构，使操作机构脱扣驱动第一开关K1、第二开关K2断开。在所述第一开关K1的两端并联有开关组件，所述开关组件具有隔离以及承载一定功率的作用，开关组件包括第二开关K2、半导体功率开关Q、电压检测电路、电源电路以及控制模块，其中第二开关K2与半导体功率开关Q串联，电源电路以及电压检测电路均并联在半导体功率开关Q的两端，电源电路用于为电压检测电路和控制模块供电，电压检测装置用于检测半导体功率开关Q两端的电压并能够向控制模块传递电压信号；所述控制模块包括逻辑控制电路和驱动电路，其中逻辑控制电路与电压检测电路连接，驱动电路与半导体功率开关Q连接，逻辑控制电路通过电压检测电路获取反馈半导体功率开关Q的电压信号。

操作机构能够驱动第一开关K1、第二开关K2同步动作，驱动第一开关K1、第二开关K2合闸，合闸时优选第二开关K2和第一开关K1可以先后合闸，也可以同步合闸；操作机构能够驱动第一开关K1、第二开关K2分闸，分闸时第一开关K1先于第二开关K2断开。在断路器合闸时，第一开关K1、第二开关K2处于闭合状态，半导体功率开关Q处于截止状态，此时主线路正常工作；当断路器分闸时，所述第一开关K1以及第二开关K2均由操作机构驱动同步驱动，但第一开关K1先断开，第二开关K2在经过一段时间后才会断开，在此期间，半导体功率开关Q两端的电压升高，控制模块的逻辑控制电路通过电压检测电路获取此时的电压信号，并根据接收、处理后的电压信号判断符合导通条件，逻辑控制电路通过驱动电路输出控制信号使半导体功率开关Q在一定时间内先导通后截止，在半导体功率导通时，能够熄灭第一开关K1产生的电弧，最后，第二开关K2断开，此时输入端子与输出端子之间的主线路被断开。如图2所示，控制模块驱动半导体功率开关Q在时间T内先导通后截止，时间T小于第一开关K1、第二开关K2先后断开的时间间隔，半导体功率开关Q的导通时间由逻辑控制电路决定，逻辑控制电路对半导体功率开关Q具有控制作用，用于控制半导体功率开关Q的导通和截止时间，导通时间可以预先设定。

本实施例的固态直流断路器，控制模块通过监测半导体功率开关Q的电压确定第一开关K1从闭合转换为断开，在第一开关K1断开后且第二开关K2断开前控制半导体功率开关Q在短时间内先导通后截止，既能使电弧消失，减小电弧对第一开关K1的损坏，又使半导体功率开关Q所需要承载的功率低，具有体积小、成本低的优点。

同时，当第一开关K1带载断开后，且在半导体功率开关Q还未被控制模块驱动导通时，即半导体功率开关Q在导通前的截止状态下，半导体功率开关Q承载功率的两极有电弧电压产生，电源电路并联在半导体功率开关Q承载功率的两极把电弧产生的电压转换给其他各电路所需要的电能；当半导体功率开关Q处于导通后的截止状态时，第一开关K1的电弧消散，由于第二开关K2还未断开，半导体功率开关Q承载功率的两极有负载电压，电源电路并联在半导体功率开关Q承载功率的两极把负载电压转换给其他各电路所需要的电能，在本实施例中，电源电路为控制模块以及电压检测电路供电，当然也可以不设置电源电路，控制模块以及电压检测电路由外部电源供电。

优选的，在半导体功率开关Q的两端还并联有浪涌吸收装置，浪涌吸收装置也由电源电路供电，浪涌吸收装置用于导通分流，防止突然产生的浪涌对回路中设备的损坏。

在本实施例中，所述逻辑控制电路可以是MCU、微处理器或单片机，也可以是包括比较器的硬件电路；第一开关K1、第二开关K2均为机械开关，半导体功率开关Q可以是硅基构成的功率器件如IGBT、MOSFET等，也可以是SiC构成的MOSFET、JFET等，或者是GaN构成的MOSFET等，或者其他形式的半导体功率器件；浪涌吸收装置可以是压敏电阻，瞬态抑制二极管、放电管等单一器件或组合元件。

结合图1、2提供第二种固态直流断路器以及其控制方法的实施例，所述固态直流断路器与第一实施例相同，包括串联在输入端子与输出端子之间的热脱扣机构以及第一开关K1，在第一开关K1的两端并联有能够承载一定功率的开关组件，开关组件包括串联在一起的第二开关K2和半导体功率开关Q，以及控制半导体功率开关Q的控制模块，第一开关K1与第二开关K2由同一个动作机构同步驱动但也分先后断开，控制模块在第一开关K1、第二开关K2先后断开的时间间隔内控制半导体功率开关Q进行短时间的导通。

与第一实施例所不同的是，所述控制模块通过监测第一开关K1位置确定第一开关K1从闭合转换为断开。所述开关组件还包括第三开关K3和机械触发电路，所述第三开关K3、第二开关K2以及半导体功率开关Q依次串联，在第一开关K1断开时能够触发第三开关K3，所述机械触发电路与控制模块连接并由第三开关K3触发，优选第三开关K3为微动开关并且安装在第一开关K1的动作行程中，第三开关K3具有能检测第一开关K1断开过程中的一个位置信息，并通过机械触发电路将信号反馈至控制模块，所述控制模块包括逻辑控制电路和驱动电路，其中逻辑控制电路与机械触发电路连接用于获取反馈第一开关K1位置的信号，驱动电路与半导体功率开关Q连接并在逻辑控制电路的控制下驱动半导体功率开关Q在时间T内先导通后截止，如图2所示，时间T小于第一开关K1、第二开关K2先后断开的时间间隔。

本实施例的固态直流断路器，通过检测第一开关K1的位置使控制模块驱动半导体功率开关Q在短时间内先导通后截止，既能使电弧消失，减小电弧对第一开关K1的损坏，又使半导体功率开关Q所需要承载的功率低，具有体积小、成本低的优点。

结合图1、2提供第三种固态直流断路器以及其控制方法的实施例，所述固态直流断路器与第一实施例相同，包括串联在输入端子与输出端子之间的热脱扣机构以及第一开关K1，在第一开关K1的两端并联有与第一实施例相同的开关组件，在第一开关K1断开起弧之后，第二开关K2断开之前，半导体功率开关Q受控与控制模块进行短时间导通以熄灭第一开关K1断开时的电弧。

与第一实施例所不同的是，所述控制模块通过监测主线路电流确定第一开关K1从闭合转换为断开。控制模块根据主线路中电流信号控制半导体功率开关Q的导通与断开，在所述输入端子与输出端子之间的主线路上串联电流检测电路，电流检测电路优选为串联在主线路上的电流互感器。当热脱扣机构通过大电流时，第一开关K1被驱动断开，电流检测电路将获取的电流信号传递至控制模块，此时控制模块中的逻辑控制电路根据电流信号判断主线路存在大电流，符合导通条件，例如当电流值超出预定阀值时，通过驱动电路控制半导体功率开关Q在第二开关K2断开之前完成先导通后截止的动作，优选半导体功率开关Q在时间T内完成动作，时间T小于第一开关K1与第二开关K2断开之间的时间间隔。

本实施例的固态直流断路器，通过检测主线路中的电流信号使控制模块驱动半导体功率开关Q在短时间内先导通又截止，既能使电弧消失，减小电弧对第一开关K1的损坏，又使半导体功率开关Q所需要承载的功率低，具有体积小、成本低的优点。

结合图1、2提供第四种固态直流断路器以及其控制方法的实施例，所述固态直流断路器与第一实施例相同，包括串联在输入端子与输出端子之间的热脱扣机构以及第一开关K1，在第一开关K1的两端并联有与第一实施例相同的开关组件，第一开关K1与开关组件的第二开关K2均由同一个动作机构同步驱动，在第一开关K1与第二开关K2先后断开的时间间隔内，控制模块控制半导体功率开关Q进行短时间的导通以熄灭第一开关K1断开时产生的电弧。

与第一实施例所不同的是，所述控制模块通过监测第一开关K1是否产生电弧，确定第一开关K1从闭合转换为断开。控制模块根据反馈电弧的信号控制半导体功率开关Q的导通与断开，在所述输入端子与输出端子之间的主线路上串联电弧检测电路，当第一开关K1断开起弧时，电弧检测电路将获取的电弧信号并传递至控制模块，此时控制模块中的逻辑控制电路判断符合导通条件，通过驱动电路控制半导体功率开关Q在第二开关K2断开之前完成短时间导通后截止，优选半导体功率开关Q在时间T内完成动作，时间T小于第一开关K1与第二开关K2断开之间的时间间隔。

本实施例的固态直流断路器，控制模块通过电弧检测电路获取是否存在电弧，并据此控制半导体功率开关Q在短时间内先导通又截止，既能使电弧消失，减小电弧对第一开关K1的损坏，又使半导体功率开关Q所需要承载的功率低，具有体积小、成本低的优点。

在第二、第三以及第四实施例中，在半导体功率开关Q的两端也可以分别并联有电源电路和浪涌吸收装置，其中电源电路、浪涌吸收装置的工作原理与第一实施例相同，电源电路能够分别为机械触发电路、电流检测电路以及电弧检测电路供电。

在本申请中，上述四个实施例可以任选两个或两个以上进行组合，图1、2为四个实施例组合在一起。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种固态直流断路器，包括连接在主线路上的第一开关(K1)，其特征在于：还包括开关组件，所述开关组件包括第二开关(K2)、半导体功率开关(Q)，以及控制半导体功率开关(Q)的控制模块，串联的第二开关(K2)和半导体功率开关(Q)并联在第一开关(K1)两端，断路器分闸时，所述第一开关(K1)先于第二开关(K2)断开，控制模块监测到第一开关(K1)从闭合转换为断开后，在第二开关(K2)断开之前，控制模块驱动半导体功率开关(Q)先导通然后截止。

2.根据权利要求1所述的所述的一种固态直流断路器，其特征在于：断路器分闸时，由断路器的动作机构同步驱动第一开关(K1)和第二开关(K2)动作，使第一开关(K1)和第二开关(K2)先后断开。

3.根据权利要求1所述的所述的一种固态直流断路器，其特征在于：所述控制模块通过监测第一开关(K1)位置，和/或第一开关(K1)是否产生电弧，和/或主线路电流，和/或半导体功率开关(Q)的电压，确定第一开关(K1)从闭合转换为断开。

4.根据权利要求1所述的一种固态直流断路器，其特征在于：所述开关组件还包括并联在半导体功率开关(Q)两端的电源电路，所述电源电路将半导体开关元件两端的电压转化为工作电源。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种固态直流断路器，其特征在于：所述开关组件还包括并联在半导体功率开关(Q)两端的电压检测电路，所述电压检测电路与控制模块连接用于反馈半导体功率开关(Q)的电压。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种固态直流断路器，其特征在于：所述开关组件还包括第三开关(K3)以及与控制模块连接的机械触发电路，第一开关(K1)断开能够使第三开关(K3)触发机械触发电路，控制模块通过机械触发电路监测第一开关(K1)位置。

7.根据权利要求1-4任一项所述的一种固态直流断路器，其特征在于：在所述主线路上还连接有电弧检测电路，所述电弧检测电路与控制模块连接用于反馈是否产生电弧。

8.根据权利要求1-4任一项所述的一种固态直流断路器，其特征在于：在所述主线路上还连接有电流检测电路，电流检测电路与控制模块连接用于反馈主线路的电流信号。

9.根据权利要求1所述的一种固态直流断路器，其特征在于：在断路器合闸时，第一开关(K1)、第二开关(K2)均闭合，半导体功率开关(Q)保持截止。

10.一种固态直流断路器的控制方法，所述固态直流断路器包括开关组件和连接在主线路上的第一开关(K1)，所述开关组件包括第二开关(K2)、半导体功率开关(Q)，以及控制半导体功率开关(Q)的控制模块，串联的第二开关(K2)和半导体功率开关(Q)并联在第一开关(K1)两端，其特征在于：断路器分闸时，使所述第一开关(K1)先于第二开关(K2)断开，且在第一开关(K1)断开后第二开关(K2)断开之前，驱动半导体功率开关(Q)导通然后截止。

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