CN117630463A - 固态断路器的故障电流检测 - Google Patents
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Abstract
在一个方面中，提供了一种固态断路器SSCB。SSCB被配置为生成表示通过SSCB的电流路径的电流的第一输出。模拟故障检测电路与第一输出耦合，并且被配置为响应于电流超过跳闸电流电平来断言第二输出。至少一个模数转换器(ADC)被配置为生成第一输出的样本，其中至少一个ADC的di/dt检测带宽小于模拟故障检测电路的di/dt检测带宽。SSCB还被配置为响应于异步地确定第二输出由模拟故障检测电路断言或者样本指示通过电流路径的电流超过跳闸电流电平，来禁用通过SSCB的电流路径。
Description
技术领域
本公开的领域涉及故障检测，更具体地涉及对故障呈现低电感的系统中的故障检测，这可能导致高di/dt故障电流。
背景技术
直流(DC)配电系统为诸如船舶配电系统、电池储能系统、微电网和数据中心等系统的客户提供了益处。DC配电系统的特征在于各种配置，包括使用功率转换器和电容器存储装置或耦合至DC配电总线的其他存储系统。这些类型的DC配电总线可能对潜在短路呈现低电感，这可能选择性地对固态断路器的故障电流检测、中断和保护构成挑战。在这些类型的低电感短路事件中，期望固态断路器能够检测短路故障，并且忽略可能导致干扰跳闸的噪声和瞬态。
基于前述讨论，因此仍然期望改进固态断路器的操作和性能，特别是在对潜在短路呈现低电感的DC配电系统中。
发明内容
在一个方面中，提供了一种固态断路器(SSCB)。SSCB包括至少一个固态开关、电流感测电路、模拟故障检测电路和控制器。至少一个固态开关被配置为基于至少一个控制信号选择性地启用和禁用通过SSCB的电流路径。电流感测电路被配置为感测通过电流路径的电流并且生成表示电流的第一输出。模拟故障检测电路与第一输出耦合，并且被配置为响应于通过电流路径的电流超过SSCB的跳闸电流电平而断言第二输出，其中模拟故障检测电路具有第一di/dt检测带宽。控制器与第二输出耦合，并且被配置为(a)利用至少一个模数转换器(ADC)生成第一输出的样本，其中至少一个ADC具有小于第一di/dt检测带宽的第二di/dt检测带宽，(b)基于样本来计算通过电流路径的电流，以及(c)确定计算的通过电流路径的电流是否超过SSCB的跳闸电流电平。控制器还被配置为(d)响应于确定计算的电流超过SSCB的跳闸电流电平，利用至少一个控制信号来禁用通过SSCB的电流路径。控制器还被配置为(e)与(a)、(b)和(c)同时确定第二输出是否被断言，以及(f)响应于确定第二输出被断言，利用至少一个控制信号来禁用通过SSCB的电流路径。
在另一示例中，提供了一种操作SSCB的方法，其中SSCB包括具有第一di/dt检测带宽的模拟故障检测电路以及具有小于第一di/dt检测带宽的第二di/dt检测带宽的至少一个ADC。该方法包括(a)利用至少一个ADC生成电流感测电路的第一输出的样本，其中第一输出表示通过SSCB的电流路径的电流，(b)基于样本来计算通过电流路径的电流，(c)确定计算的通过电流路径的电流是否超过SSCB的跳闸电流电平，以及(d)响应于确定计算的电流超过SSCB的跳闸电流电平，禁用通过SSCB的电流路径。该方法还包括(e)与(a)、(b)和(c)同时确定模拟故障检测电路的第二输出是否被断言，其中模拟故障检测电路被配置为响应于通过电流路径的电流超过SSCB的跳闸电流电平来断言第二输出。该方法还包括(f)响应于确定第二输出被断言，禁用通过SSCB的电流路径。
在另一方面中，提供了一种SSCB。SSCB包括至少一个固态开关、电流感测电路、模拟故障检测电路、至少一个ADC和控制器。至少一个固态开关被配置为基于至少一个控制信号选择性地启用和禁用通过SSCB的电流路径。电流感测电路被配置为感测通过电流路径的电流并且生成表示电流的第一输出。模拟故障检测电路与第一输出耦合，并且被配置为响应于通过电流路径的电流超过SSCB的跳闸电流电平而断言第二输出，其中模拟故障检测电路具有第一di/dt检测带宽。至少一个ADC被配置为生成第一输出的样本，其中ADC具有小于第一di/dt检测带宽的第二di/dt检测带宽。控制器被配置为响应于异步地确定第二输出由模拟故障检测电路断言或者样本指示通过电流路径的电流超过SSCB的跳闸电流电平来利用至少一个控制信号禁用通过SSCB的电流路径。
附图说明
当以下详细描述是参照附图阅读时，本公开的这些和其他特征、方面和优点将变得更好理解，其中在整个附图中，相似的字符表示相似的部分，其中：
图1描绘了示例性实施例中的不同di/dt故障波形的曲线图。
图2描绘了示例性实施例中的反向阻断集成门极换向晶闸管(RB-IGCT)的门极重新触发波形。
图3描绘了示例性实施例中的固态断路器的框图。
图4描绘了示例性实施例中的另一固态断路器的框图。
图5描绘了示例性实施例中的实验测试波形。
图6描绘了示例性实施例中的不同模拟和数字分量的定时延迟分布。
图7描绘了示例性实施例中的用于检测高di/dt电流故障的模拟电路的电路图。
图8描绘了示例性实施例中的电压测量电路。
图9描绘了示出示例性实施例中的基于电压极性检测的预防性控制的实验结果的曲线图。
图10描绘了示例性实施例中的图9中的曲线图的区域。
图11描绘了图示示例性实施例中的当SSCB被配置为使用RB-IGCT的单向断路器时的二极管状行为的曲线图。
图12描绘了示例性实施例中的操作SSCB的方法的流程图。
除非另有指示，否则本文提供的附图旨在图示本公开的实施例的特征。这些特征被认为适用于包括本公开的一个或多个实施例的各种系统。因此，附图并不意味着包括本领域的普通技术人员已知的实践本文公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求中，将参照许多术语，这些术语应被定义为具有以下含义。
单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指示物，除非上下文另有清晰规定。
“可选的”或“可选地”是指随后描述的事件或情况可能发生或者可能不发生，并且描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。
本说明书和权利要求中使用的近似语言可以被应用于修改可以允许变化的任何定量表示，而不会导致与其相关的基础函数发生变化。因此，由一个或多个术语修改的值(诸如“大约”、“近似”和“实质上”)不被限于指定的精确值。在至少一些实例中，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。此处以及在整个说明书和权利要求中，范围限制可以被组合和/或互换，除非上下文或语言另有指示，否则这种范围被标识并且包括其中包含的所有子范围。
如本文使用的，术语“处理器”和“计算机”以及相关术语(例如“处理设备”、“计算设备”和“控制器”)可以不仅限于本领域中作为计算机引用的那些集成电路，而且泛指微控制器、微计算机、模拟计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、专用集成电路(ASIC)以及其他可编程电路，并且这些术语在本文中可互换使用。在本文描述的实施例中，“存储器”可以包括但不限于计算机可读介质(诸如随机存取存储器(RAM))、计算机可读非易失性介质(诸如闪存)。备选地，软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字通用盘(DVD)也可以被使用。而且，在本文描述的实施例中，附加的输入信道可以是但不限于与操作员界面相关联的计算机外围设备，诸如触摸屏、鼠标和键盘。备选地，其他计算机外围设备也可以被使用，它可以包括例如但不限于扫描仪。此外，在示例实施例中，附加的输出信道可以包括但不限于操作员界面监测器或平视显示器。一些实施例涉及使用一个或多个电子或计算设备。这种设备通常包括处理器、处理设备或控制器，诸如通用中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、精简指令集计算机(RISC)处理器、ASIC、可编程逻辑控制器(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理(DSP)设备和/或能够执行本文描述的功能的任何其他电路或处理设备。本文描述的方法可以被编码为计算机可读介质中实施的可执行指令，包括但不限于存储设备和/或存储器设备。在由处理设备执行时，这种指令使计算设备执行本文描述的方法的至少一部分。以上示例不旨在以任何方式限制术语处理器和处理设备的定义和/或含义。
如先前讨论的，一些DC配电系统可能会对潜在短路呈现低电感，从而可能导致高di/dt短路电流。当固态断路器利用软件(例如在微控制器上执行)来检测短路事件时，与检测和中断短路电流相关联的延迟可能足够长，使得短路电流超过固态断路器的额定电流，这可能损坏或破坏固态断路器。虽然模拟短路电流检测电路可以提供明显更快的响应时间以减轻短路条件，但模拟电路在实施短路检测和中断策略(例如可变跳闸阈值)方面相对不灵活，并且进一步地，模拟电路容易由于噪声或其他瞬态条件而发生干扰跳闸，这是不期望的。
固态断路器被用于保护配电系统免受不同类型故障的影响，包括过载、缓慢短路事件和高di/dt故障电流。长时间常数、低di/dt故障由高故障阻抗引起，而短时间常数、高di/dt故障由低故障阻抗引起。大多数故障阻抗由电源处的阻抗和/或电缆或总线连接的长度来定义。由于在安装固态断路器之前上游方向(从电源侧)和下游方向(到负载侧)上的电缆长度是不确定的，因此故障阻抗不固定，但是可以位于故障阻抗值的范围内。固态断路器的任务是在故障阻抗值的范围内正确操作。在一些应用中，该范围可能足够宽，从而在固态断路器的跳闸单元的响应时间的设计中引入挑战。
图1描绘了示例性实施例中的不同di/dt故障波形的曲线图100。曲线图100描绘了高di/dt故障波形102、中等di/dt故障波形104和低di/dt故障波形106。曲线图100还描绘了固态断路器应该开启的跳闸电流阈值108以及正确响应特定di/dt故障波形所需的不同类别的跳闸实施方式。具体地，高di/dt故障波形102通常发生得如此之快，以致于通常需要模拟保护，而中等di/dt故障波形104和低di/dt故障波形106通常发生得足够慢，以致于诸如微控制器等数字电路足以正确响应。
在大多数情况下，当故障电流达到或超过某个预定义阈值时，固态断路器跳闸。然而，不同的di/dt故障波形将需要不同的时间才能达到该跳闸阈值。在低di/dt故障波形106的情况下，这个时间可以是数百微秒到几毫秒的数量级，而针对高di/dt故障波形102，这个时间几乎可以是几微秒甚或更低。这意味着故障检测电路应该能够在非常短的时间内以及在更长的时间内标识故障。大多数基于固态器件的应用(转换器、断路器、接触器)针对主控制器使用数字处理单元，包括微控制器、可编程逻辑器件、数字信号处理器等。主控制器负责各种任务，诸如模数转换、故障检测算法、各种控制计算、外部通信接口等。由于非故障相关活动，确保主控制器在广泛范围的故障di/dt(特别是高di/dt故障波形102)上工作在技术上可能是具有挑战性的，并且在经济上是昂贵的。例如，为了检测高di/dt故障波形102，微控制器的模数转换器(ADC)采样时间可能需要远低于半微秒以及几百兆赫(MHz)的系统时钟速度。这种要求可能会使解决方案更加昂贵，并且要求高处理带宽(以解决高di/dt故障波形102)，从而为其他系统功能留下很少的处理带宽。
进一步地，在一些实施方式中，DC配电系统支路可以是负载和电源。例如，当DC配电系统支路被耦合至电池储能系统、缓冲电容器和/或再生转换器时，DC配电系统支路可以在不同时间作为负载或作为电源操作。在这种情况下，期望固态断路器基于它是充当电源(上游)还是充当负载(下游)来以不同的选择性跳闸。用于在不同条件和电流方向下使固态断路器跳闸的选择性阈值是期望的，以实现DC配电系统的完全协调并且最大化生存性和/或可用性。
更进一步地，基于反向阻断集成门极换向晶闸管(RB-IGCT)的固态断路器是许多DC配电应用的非常有前途的技术。然而，在当前的解决方案中，RB-IGCT具有一定的性能限制。例如，在接通状态期间，并且在跨RB-IGCT的阳极-阴极的反向电压下，该器件在稳定状态下传导大约5安培的小负电流。而且，取决于该反向施加电压的dv/dt，可能存在从大约40安培到大约60安培的电流尖峰。这种行为由RB-IGCT中的门极驱动器电路登记，并且作为安全特征，某些器件中的门极驱动器电路关断RB-IGCT。然而，在一些时间后(几毫秒后)，门极驱动器电路再次重新触发RB-IGCT，并且循环重复。这个问题在图2中描绘，图2描绘了示例性实施例中的RB-IGCT的门极重新触发波形200。图2描绘了重新触发期间RB-IGCT的门极到阴极电压202、阳极到阴极电压204和阳极电流206。而且，这种行为取决于所施加电压的幅度和dv/dt，因为门极驱动器可以或可以不重新触发器件。RB-IGCT在接通状态期间在反向阻断模式下的这种不可预测和不可控制的行为可能会在系统中引起不期望的行为，诸如单向断路器中的连续负泄漏电流，并且还可能取决于冷却系统设计导致器件过热。
在本文描述的实施例中，提供了一种混合信号解决方案(模拟+数字)，用于检测高、中等、低di/dt短路事件，并且该混合信号解决方案还抑制可能导致干扰跳闸的噪声和瞬态。模拟电路与软件算法协同选择性地检测高di/dt短路事件，该软件算法选择性地检测中等di/dt到低di/dt的短路事件、故障电流方向，并且基于电流方向和过载条件提供跳闸阈值。混合信号解决方案在接通状态以及关断状态下检测功率半导体的电压极性，用于基于RB-IGCT的固态断路器和具有类似特性的其他器件的预防性控制(用于双向断路器)和二极管状控制(在单向断路器中)。混合信号解决方案基于电流方向以及负载侧和电源侧故障提供选择性跳闸电流和电流导数阈值，这对于既是负载又是电源的支路(例如电池储能系统和再生转换器)是有用的。混合信号解决方案还为故障检测和电压极性检测电路提供了可编程硬件。
图3描绘了示例性实施例中的固态断路器(SSCB)302的框图。SSCB 302包括执行本文针对SSCB 302描述的功能的任何组件、系统或设备。SSCB 302将相对于执行功能的各种离散元件来描述。这些元件可以在不同的实施例中组合和/或在其他实施例中被分割为不同的离散元件。
在该实施例中，SSCB 302选择性地控制配电系统的不同DC配电支路306、308之间的电流路径304。DC配电支路306、308可以与电源、负载或电源和负载的组合电耦合。例如，DC配电支路306、308可以被耦合至电池储能系统，该电池储能系统可以在作为负载(当对电池储能系统充电时)和作为电源(当电池储能系统向配电系统的其他DC配电支路提供电力时)之间切换。
在该实施例中，SSCB 302包括电流感测电路310和电流路径304中的功率半导体312。电流感测电路310感测电流路径304中的电流。电流感测电路310可以感测电流路径304中的电流的幅度和电流路径304中的电流的方向，其中方向取决于DC配电支路306、308是作为负载还是作为电源操作而变化。功率半导体312选择性地控制电流是否在电流路径304中流动。在各种实施例中，功率半导体312可以包括RB-IGCT器件、非对称IGCT器件、碳化硅(SiSiC)绝缘栅双极晶体管(IGBT)器件、SiSiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件、碳化硅(SiC)结型栅场效应晶体管(JFET)器件、SiC场效应晶体管(FET)器件或者其他类型的固态开关(及其组合)。在该实施例中，微控制器单元(MCU)314提供控制功率半导体312的操作的(多个)控制信号316。在该实施例中，MCU 314包括模数转换器(ADC)318、320，尽管在其他实施例中，ADC 318、320与MCU 314分离。
电流感测电路310的输出(即，第一输出)被提供给MCU 314的ADC 318。在一些实施例中，(多个)控制信号316被用于经由在通信信道上发送的适当电压和/或电流偏置来直接控制功率半导体312的栅极(或等效端子)。在各种实施例中，通信信道是电气的、光学的、电磁的和/或其组合。在其他实施例中，(多个)控制信号316被用于向功率半导体412的驱动器和/或控制器发送命令，以便控制功率半导体412的导通状态。
在该实施例中，SSCB 302还包括电压极性检测电路322、跳闸电平选择器324和高di/dt故障检测电路326。电压极性检测电路322测量跨功率半导体312的电压。电压极性检测电路322的输出被提供给MCU 314的ADC 320。跳闸电平选择器324被用于基于流过电流路径304的电流的方向来修改跳闸电平。
在该实施例中，电流感测电路310的输出被提供给模拟电路(即，跳闸电平选择器324和高di/dt故障检测电路326)和数字电路(即，MCU 314的ADC 318)，以便区分不同类型的故障事件。检测到的故障包括高di/dt故障波形102、中等di/dt故障波形104和低di/dt故障波形106(参见图1)。检测到的故障还包括朝向电源和负载的故障。进一步地，电压极性检测电路322的输出由MCU 314处理以标识跨功率半导体312的极性，它被用于确定和/或预测流过电流路径304的电流的方向。在一些实施例中，跳闸电平选择器324可以被实施为模拟电路、数字电路或模拟和数字电路的组合。例如，跳闸电平选择器324可以使用可编程逻辑器件、高速ADC、微控制器或其组合来实施。
在该实施例中，高di/dt故障检测电路326是高速模拟电路，当高di/dt故障电流被检测到时，该高速模拟电路生成第二输出，该第二输出可以触发MCU 314处的中断。高di/dt故障检测电路具有高di/dt检测带宽(例如高di/dt故障检测电路326具有高截止频率响应，这允许高di/dt故障检测电路326对高di/dt故障电流作出响应)。
使用中断，MCU 314可以使用被施加到功率半导体312的(多个)控制信号316快速操作以禁用通过SSCB 302的电流路径304。中等di/dt故障和低di/dt故障通过使用电流感测电路310和ADC 318测量电流路径304中的电流来检测，其中电压极性检测电路322将跨功率半导体312的极性提供给MCU 314。MCU 314对该信息进行操作，以在达到跳闸电流电平时利用(多个)控制信号316选择性地控制功率半导体312的导通状态以禁用电流路径304。ADC318具有比高di/dt故障检测电路326更低的di/dt检测带宽(例如ADC 318的截止频率响应比高di/dt故障检测电路326更低)。ADC 318的相对低带宽实施方式的使用降低了与在大范围的值上实施di/dt故障的检测相关联的成本。
图4是示例性实施例中的另一SSCB 402的框图。SSCB 402包括执行本文针对SSCB402描述的功能的任何组件、系统或设备。SSCB 402将相对于执行功能的各种离散元件来描述。这些元件可以在不同的实施例中组合和/或在其他实施例中被分割为不同的离散元件。
在该实施例中，SSCB 402选择性地控制配电系统的不同DC配电支路406、408之间的电流路径404。DC配电支路406、408可以被电耦合至电源、负载或电源和负载的组合。例如，DC配电支路406、408可以被电耦合至电池储能系统，该电池储能系统可以在作为负载(当对电池储能系统充电时)和作为电源(当电池储能系统向配电系统提供电力时)之间切换。
在该实施例中，SSCB 402包括电流感测电路410和电流路径404中的功率半导体412。电流感测电路410感测电流路径404中的电流。电流感测电路410可以感测电流路径404中的电流的幅度和电流路径404中的电流的方向，其中电流路径404中的电流的方向基于DC配电支路406、408是作为负载还是作为电源操作而变化。功率半导体412选择性地控制电流是否在电流路径404中流动。在各种实施例中，功率半导体412可以包括RB-IGCT器件或其他类型的固态开关，类似于相对于图3的功率半导体312所讨论的那些。
在该实施例中，数字处理单元(DPU)414提供(多个)控制信号416，它控制功率半导体412的操作。DPU 414可以包括可编程逻辑器件、微控制器、数字信号处理器或其组合。在该实施例中，DPU 414包括模数转换器(ADC)418、420，尽管在其他实施例中，ADC 418、420与DPU 414分离。电流感测电路410的输出被提供给调节电路422，然后调节电路422被提供给DPU 414的ADC 418。调节电路422可以例如向电流感测电路410输出的(多个)信号提供噪声滤波、信号钳位、信号削波、极性整流和/或信号缩放。总的来说，电流感测电路410和调节电路422可以对应于图3的电流感测电路310。
在该实施例中，SSCB 402还包括电压极性检测电路424和电压与信号隔离电路426。电压极性检测电路424测量跨功率半导体412的电压，并且电压和信号隔离电路426提供从功率半导体412读取的电压的隔离。电压和信号隔离电路426提供跨功率半导体412的高电压(当功率半导体412处于关断状态时)与SSCB 402的低电压电路之间的隔离。
电压极性检测电路424的输出被提供给DPU 414的ADC 420，并且DPU 414实施逻辑428，该逻辑428至少部分地基于跨功率半导体412的电压极性和/或跨功率半导体412的电压来控制SSCB 402的操作。总的来说，电压和信号隔离电路426、电压极性检测电路424、ADC420和逻辑428实施用于SSCB 402的控制块430，该控制块430为SSCB 402提供基于混合信号的电压极性检测、预防性控制和二极管状操作。
在该实施例中，调节电路422的输出被提供给模拟电路(即，高di/dt故障检测电路432)和数字电路(即，DPU 414的ADC 418)，以便区分不同类型的故障事件。检测到的故障包括高di/dt故障波形102、中等di/dt故障波形104和低di/dt故障波形106(参见图1)。检测到的故障还包括朝向电源和负载的故障。
在该实施例中，高di/dt故障检测电路432是高速模拟电路，并且其输出被提供给逻辑门436。高di/dt故障检测电路432具有高di/dt检测带宽(例如高di/dt故障检测电路432具有高截止频率响应，这允许高di/dt故障检测电路432响应高di/dt故障电流)。ADC418具有比高di/dt故障检测电路432更低的di/dt检测带宽(例如ADC 418的截止频率响应比高di/dt故障检测电路432更低)。ADC 418的相对低带宽实施方式的使用降低了与在大范围的值上实施di/dt故障的检测相关联的成本。
逻辑门436的输出被提供给混合信号锁存器438。逻辑门436可以实施各种功能，包括将高di/dt故障检测电路432的输出转换为用于DPU 414的数字格式，锁存高di/dt故障检测电路430的输出直到满足次要条件(例如DPU 414清除逻辑门436的锁存状态)，执行高di/dt故障检测电路432的输出的逻辑反转、复用等。
混合信号锁存器的输出可以选择性地在DPU 414处生成硬件中断。当高di/dt故障电流(例如高di/dt故障波形102)被检测到时，该控制路径中的序列模拟和数字逻辑触发DPU 414处的中断。使用中断，DPU 414通过修改功率半导体412的(多个)控制信号416来快速操作以禁用通过SSCB 402的电流路径404。中等di/dt故障(例如中等di/dt故障波形104)和低di/dt故障(例如低di/dt故障波形106)通过使用电流感测电路410、调节电路422和ADC418测量电流路径404中的电流来检测。DPU 414至少部分地对该信息进行操作，以利用(多个)控制信号316选择性地禁用电流路径304，该控制信号316在达到跳闸电流电平时控制功率半导体412的导通状态。
在该实施例中，电流极性检测器434和逻辑门436共同形成控制块440，该控制块440实施SSCB 402处的正故障电流和负故障电流的阈值选择。该功能性部分地由DPU 414生成的参考选择信号442来实施。参考选择信号442基于电流路径404中的电流的方向来修改跳闸电流阈值，该跳闸电流阈值使得当发生高di/dt故障时在DPU 414处生成中断。总的来说，控制块440的元件可以实施先前相对于跳闸电平选择器324描述的功能性(参见图3)。
在该实施例中，高di/dt故障检测电路432、控制块440、混合信号锁存器438和逻辑444共同形成控制块446，它实施SSCB 402的基于混合信号的高di/dt故障保护系统。逻辑由DPU 414实施以实施和修改高di/dt故障保护系统的操作方式。进一步地，DPU 414的数模转换器(DAC)448生成可编程参考450、452、454，它修改高di/dt故障检测电路432和电压极性检测电路424两者的操作。具体地，可编程参考450、452基于电流方向修改高di/dt故障检测电路432的跳闸阈值。可编程参考454可以被用于修改电压极性检测电路424的阈值。在接通状态(即，导通)期间，功率半导体412可以具有几伏(例如零到五伏)的电压降，这取决于电流和电流的di/dt。在关断状态(即，不导通)下，功率半导体412将具有大约等于系统电压的电压(例如四百伏至大约两千伏)。阈值可以基于功率半导体412的类型来决定。例如，RB-IGCT器件的阈值可以是大约5伏，以在接通状态电压之上具有足够的裕度，而IGBT或MOSFET型功率半导体412的阈值可以为大约10伏。
在一个实施例中，高di/dt故障检测电路432被用于区分流过电流路径404的SSCB402的瞬时电流。电流的导数(di/dt)产生成比例的信号电压电平。成比例的信号电压电平然后被用于生成修改的电压参考，用于比较。修改后的电压参考又基于故障di/dt的幅度来改变故障检测时间。该微分器和修改后的参考电压的正确调谐被用于确保即使在非常高的di/dt下SSCB 402的安全跳闸，同时也确保在快速负载瞬态期间不会出现错误跳闸。作为高di/dt故障检测电路432对不同故障电流di/dt值的响应的示例，针对非常高的di/dt故障电流，将在几百纳秒内生成故障信号。针对较低的di/dt故障电流，生成故障信号可能需要几微秒或更长时间。这种自动时间延迟生成被用于确保在故障期间功率半导体412的安全关断。参考可以是调谐的可编程参考450、452。混合信号锁存器438确保一旦产生故障信号，它就保持锁存，直到DPU 414或最终用户重置混合信号锁存器438为止。
该解决方案的示例实验测试波形500如图5所描绘的，用于在900伏DC系统电压下约520安培/微秒的故障di/dt期间进行保护。图5描绘了在故障保护期间用于基于RB-IGCT的功率半导体412的VGS 502，对应于(多个)控制信号416、阳极到阴极电压504、阳极电流506。图5还图示了混合信号锁存器438的输出508。如图5所示，在故障发生后，生成并且锁存故障信号需要大约4微秒，并且关断功率半导体412需要另外4微秒。
图6描绘了示例性实施例中的用于该实施方式的不同模拟和数字组件的定时延迟分布600。图6图示了从达到故障阈值到功率半导体412中的电流开始减少的总延迟是大约8微秒。该延迟包括与电流感测电路410的响应时间相关联的传感器延迟602、与通过调节电路422的传播延迟相关联的滤波器延迟604、与在高di/dt故障检测电路432处检测故障并且通过逻辑门436和混合信号锁存器438传播检测信号相关联的检测延迟606以及与DPU 414处的延迟相关联的用于处理由混合信号锁存器438生成的中断并且断言(多个)控制信号416的DPU延迟608。总延迟进一步由信道延迟610生成，该信道延迟610是与从DPU 414向功率半导体412传播(多个)控制信号416相关联的延迟、与在驱动器基于(多个)控制信号416修改功率半导体412的导通之前功率半导体412的驱动器处的延迟相关联的驱动器延迟612以及与功率半导体412在被驱动器电路命令时开始减少通过电流路径404的电流之前的时间延迟相关联的换向延迟614。
图7描绘了示例性实施例中的用于检测高di/dt电流故障的模拟电路的电路图700。如果SSCB 402在阈值It处发起跳闸，故障di/dt为y，并且控制延迟为d，则SSCB 402将中断故障，如等式(1)：Ipeak＝It+y*d。模拟故障感测电路中的延迟在峰值故障电流中引入误差y*d。需要对该误差进行补偿，以确保无论故障di/dt的幅度如何，SSCB都能在相同的峰值故障电流电平下跳闸。变量(di/dt相关)阈值的等式由等式(2)It(ref)＝It-k*yest给出，其中k＝R*C，其中k是可调谐常数，并且yest是估计的故障di/dt。比较器的输出702可以被提供给逻辑门436，并且在高di/dt故障被检测到时被断言。
再次参照图4，实施正故障电流和负故障电流的阈值选择的控制块440允许基于通过电流路径404的故障电流的方向来选择跳闸阈值。在实施例中，高di/dt故障检测电路432响应于di/dt的幅度，而与电流的方向无关。高di/dt故障检测电路432的输出可以被用于修改与故障电流的每个方向相对应的两个独立的跳闸参考信号。这些参考信号可以通过可编程参考450、452来设置。感测到的故障电流与这些修改的参考信号中的每个参考信号进行比较，以生成两个跳闸信号。这些信号然后由逻辑门436选通，以将跳闸信号中的任一个传递到混合信号锁存器438，从而在DPU 414处生成故障信号。在图4中，两个选择信号被示出，并且被标识为1和2。标记为2的选择信号来自DPU 414的I/O引脚。如果在任何时刻仅启用通过电流路径404的一个导通方向的功率半导体412，则(多个)控制信号416包含关于导通方向的信息。因此，这些可以被直接用于选择故障跳闸的有源参考。然而，如果用于通过电流路径404的两个导通方向的功率半导体412被启用，则选择信号应该基于由ADC 418测量的电流信号。标记为1的选择信号由电流极性检测器434生成，它基于由调节电路422的输出生成的电流测量值来确定通过电流路径404的导通方向。该过程更直接，并且不取决于用于SSCB 402的选通策略(即，在一些实施例中基于电流的方向实施功率半导体412中的哪些接通和哪些关断)。
然而，使用标记为1的选择信号比使用标记为2的选择信号更容易产生噪声。因此，必须注意确保在电流极性检测器434的设计中包含足够的噪声裕度。而且，必须确保通过电流极性检测器434的延迟不超过高di/dt故障检测电路432生成跳闸信号所花费的时间。否则，选择信号的使用可能会增加故障检测时间的延迟，这可能会阻碍高di/dt故障的跳闸速度。
实施功率半导体412的基于混合信号的电压极性检测、预防性控制和二极管状操作的控制块430提供功率半导体412在接通状态和关断状态期间的电压测量值。图8描绘了示例性实施例中的电压测量电路800。电压测量电路800准确地测量接通状态电压(大约+/-1伏)，以及检测电压是否高于特定阈值。由电压测量电路800感测的跨端子802、804的电压测量值被隔离并且提供给DPU 414的ADC 420(例如经由输出806)，使得逻辑428可以监测电压极性并且采取适当的动作。
在一些实施例中，DPU 414实施基于功率半导体412的电压极性的多个动作。一个动作是当SSCB 402是双向断路器时反并联连接的功率半导体412的预防性接通。具体地，一次只能接通功率半导体412中的一个功率半导体412(在正确的导通方向上)。这保证了在与电流方向相对的方向上发生故障时的自然保护。如果两个反并联功率半导体412一直保持接通，那么一旦上述故障发生，先前不导通的功率半导体412将开始传导故障电流。如果故障di/dt非常高，这可能是有问题的，因为可能没有足够的时间来正确地关断反并联功率半导体412。如果没有正确的关断程序，反并联功率半导体412内可能存在循环电流，这可能影响SSCB 402的可靠性。
控制块430提供的电压极性检测解决方案有助于通过感测跨SSCB 402的电压极性来间接标识电流的极性。在DPU 414上执行的软件然后可以接通正确的功率半导体412，以允许电流在导通方向上流动。在功率或电流反转期间，一旦跨SSCB 402的电压反转并且电流变为零，电流就保持为零，直到DPU 414检测到极性反转并且接通另一功率半导体412。在一些情况下，这可能会在电流波形中产生小死区(数十微秒或更高)。图9描绘了示出示例性实施例中的基于电压极性检测的预防性控制的实验结果的曲线图900，并且图10描绘了曲线图900的区域902。图9图示了通过功率半导体412的总电流904、通过功率半导体412中的一个功率半导体412的电流906、跨SSCB 402的电压908以及ADC 420处的电压910。图10图示了区域902，它描绘了当以零交叉电流切换有源功率半导体器件412时大约200微秒的死区。
DPU 414可以基于功率半导体412的电压极性实施的另一动作包括当SSCB 402是单向断路器时操作类似于二极管的SSCB 402。单向断路器的任务是阻断两个方向的电压，并且只允许电流在一个方向上流动。这可以通过用于功率半导体412的反串联配置来实现。但是，当功率半导体包括RB-IGCT器件时，由于RB-IGCTs的反向阻断能力，一个RB-IGCT可以被用于实现该功能性。然而，RB-IGCT在反向电压下的接通状态期间表现出负泄漏电流。该泄漏电流可能连续流动并且可能产生RB-IGCT的过热以及其他问题。
由控制块430提供的电压极性检测解决方案检测极性反转，并且DPU 414关断RB-IGCT。一旦关断，DPU 414利用ADC 420监测极性，以检查跨功率半导体412的电压极性是否已变为正。如果检测到正极性，那么RB-IGCT再次接通。这允许在使用RB-IGCT的SSCB 402的单向版本中实施二极管状行为。图11是图示了示例性实施例中的当SSCB 402被配置为使用用于功率半导体412的RB-IGCT的单向断路器时的二极管状行为的曲线图1100。曲线图1100图示了到ADC 420的ADC输入电压1102、用于RB-IGCT的门极控制信号1104、由RB-IGCT传导的电流1106以及跨RB-IGCT的电压1108。
图12描绘了示例性实施例中的操作SSCB的方法1200的流程图。SSCB包括具有第一di/dt检测带宽的模拟故障检测电路以及具有小于第一di/dt检测带宽的第二di/dt检测带宽的至少一个ADC。方法1200可以由相对于图1至图11示出和描述的一个或多个系统来执行。
方法1200开始于(a)利用至少一个ADC生成(1202)电流感测电路的第一输出的样本，其中第一输出表示通过SSCB的电流路径的电流。例如，MCU 314的ADC 318生成电流感测电路410的输出的样本(参见图3)。
方法1200继续于(b)基于样本来计算(1204)通过电流路径的电流。例如，MCU 314将ADC 318生成的样本值转换为流过电流路径304的电流的表示(参见图3)。
方法1200继续于(c)确定(1206)计算的通过电流路径的电流是否超过SSCB的跳闸电流电平。例如，MCU 314将计算的电流与存储在MCU 314处的跳闸电流电平进行比较，以确定流过电流路径304的计算的电流是否大于跳闸电流电平(参见图3)。
方法1200继续于(d)响应于确定计算的电流超过SSCB的跳闸电流电平，禁用(1208)通过SSCB的电流路径。例如，MCU 314修改(多个)控制信号316以命令功率半导体312关断(参见图3)。
方法1200继续于(e)，与(a)、(b)和(c)同时确定(1210)模拟故障检测电路的第二输出是否被断言，其中模拟故障检测电路被配置为响应于通过电流路径的电流超过SSCB的跳闸电流电平来断言第二输出。方法1200继续于(f)响应于确定第二输出被断言，禁用(1208)通过SSCB的电流路径。例如，与MCU 314操作以检测低和中等di/dt故障并发且异步地，高di/dt故障检测电路326操作以检测高di/dt故障。高di/dt故障检测电路326断言在MCU 314处生成中断的输出，并且作为响应，MCU 314修改(多个)控制信号316以命令功率半导体312关断。例如，MCU 314可以暂停当前执行的软件并且执行中断处置器，以便快速关断功率半导体312(参见图3)。
在可选实施例中，方法1200还包括由模拟故障检测电路确定通过电流路径的电流的di/dt的幅度，以及由模拟故障检测电路基于电流的di/dt的幅度修改跳闸电流电平的值。例如，高di/dt故障检测电路326(参见图3)检测流过电流路径304的电流的di/dt的幅度，并且基于di/dt幅度修改跳闸电流电平。
在另一可选实施例中，方法1200还包括由与电流感测电路的第一输出耦合的跳闸电平选择器确定通过电流路径的电流的极性，并且由跳闸电平选择器基于极性修改跳闸电流电平的值。例如，跳闸电平选择器324(参见图3)检测流过电流路径304的电流的极性，并且基于电流的方向修改跳闸电流电平。
在另一可选实施例中，方法1200还包括生成至少一个可编程参考，该至少一个可编程参考基于极性修改跳闸电流电平的值，并且选择跳闸电平选择器或至少一个可编程参考作为跳闸电流电平的值的修改器。例如，DPU 414(参见图4)利用DAC 448生成可编程参考450、452，它修改高di/dt故障检测电路432处的正电流和负跳闸电流电平，并且还生成参考选择信号442以在使用电流极性检测器434或可编程参考450、452之间进行选择以指定+/-极性跳闸电流电平。
在另一可选实施例中，方法1200还包括确定跨一对反并联固态开关的电压极性，其中一对反并联固态开关被配置为选择性地启用和禁用通过SSCB的电流路径，并且其中SSCB被配置为双向断路器。在该实施例中，方法1200还包括基于电压极性交替一对反并联固态开关中的哪一个正在导通。例如，功率半导体412可以包括反并联固态开关，并且电压极性检测电路424(和ADC 420)被用于确定功率半导体412的极性。DPU 414利用(多个)控制信号416来交替功率半导体412中的哪一个正在导通，这取决于从跨功率半导体412的电压极性推断出的电流方向。
在该实施例中，方法1200还可以包括确定电压是否在零伏的阈值量内，并且响应于确定电压在零伏的阈值量内而关断一对反并联固态开关。例如，当跨功率半导体412的电压(经由电压极性检测电路424和ADC 420检测到)接近零交叉时，DPU 414利用(多个)控制信号416来关断两个功率半导体412(参见图4)。
在另一可选实施例中，方法1200还包括确定跨RB-IGCT的电压极性是否已反转，其中RB-IGCT被配置为基于至少一个控制信号来选择性地启用和禁用通过SSCB的电流路径，并且其中SSCB被配置为单向断路器。在该实施例中，方法1200还包括响应于确定跨RB-IGCT的电压极性已反转，利用至少一个控制信号来禁用通过SSCB的电流路径。例如，DPU 414可以确定跨功率半导体412的电压已反转(经由电压极性检测电路424和ADC 420)，并且DPU414利用(多个)控制信号416来关断功率半导体412。
本文描述的装置和方法的示例技术效果包括以下至少一项：(a)通过将高di/dt检测卸载到模拟电路来减少SSCB控制器的高速负载；(b)使用灵活的数字+模拟跳闸逻辑最小化干扰跳闸；(c)由于使用了硬件和软件故障检测系统，提高了故障保护的可靠性；(d)减轻基于RB-IGCT的单向断路器的负泄漏电流；以及(e)通过在取决于电流方向的时间选择性地接通反并联器件中的一个反并联器件来提供双向断路器的增强的故障保护。
尽管本公开的各种实施例的具体特征可以在一些附图中示出，而不是在其他附图中示出，但这只是为了方便。根据本公开的原理，附图的任何特征可以与任何其他附图的任何特征组合来引用和/或要求保护。
该书面描述使用示例来公开实施例，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员都能够实践实施例，包括制作和使用任何设备或者系统，并且执行任何包含的方法。本公开的专利范围由权利要求定义，并且可以包括本领域技术人员能想到的其他示例。如果这种其他示例具有与权利要求的文字语言并无不同的结构元件，或者如果这种其他示例包括与权利要求的文字语言无实质性差异的等效结构元件，那么这种其他示例旨在落入权利要求的范围内。
Claims (15)
1.一种固态断路器SSCB，包括：
至少一个固态开关，被配置为基于至少一个控制信号选择性地启用和禁用通过所述SSCB的电流路径；
电流感测电路，被配置为感测通过所述电流路径的电流并且生成表示所述电流的第一输出；
模拟故障检测电路，与所述第一输出耦合，并且被配置为响应于通过所述电流路径的所述电流超过所述SSCB的跳闸电流电平来断言第二输出，其中所述模拟故障检测电路具有第一di/dt检测带宽；以及
控制器，与所述第二输出耦合并且被配置为：
(a)利用至少一个模数转换器ADC来生成所述第一输出的样本，其中所述至少一个ADC具有小于所述第一di/dt检测带宽的第二di/dt检测带宽；
(b)基于所述样本来计算通过所述电流路径的所述电流；
(c)确定所计算的通过所述电流路径的电流是否超过所述SSCB的所述跳闸电流电平；
(d)响应于确定所计算的电流超过所述SSCB的所述跳闸电流电平，利用所述至少一个控制信号来禁用通过所述SSCB的所述电流路径；
(e)与(a)、(b)和(c)同时确定所述第二输出是否被断言；以及
(f)响应于确定所述第二输出被断言，利用所述至少一个控制信号来禁用通过所述SSCB的所述电流路径。
2.根据权利要求1所述的SSCB，其中：
所述模拟故障检测电路还被配置为：
确定通过所述电流路径的所述电流的di/dt的幅度；以及
基于所述电流的所述di/dt的所述幅度来修改所述跳闸电流电平的值。
3.根据权利要求1所述的SSCB，还包括：
跳闸电平选择器，与所述电流感测电路的所述第一输出耦合，其中所述跳闸电平选择器被配置为：
确定通过所述电流路径的所述电流的极性；以及
基于所述极性来修改所述跳闸电流电平的值。
4.根据权利要求3所述的SSCB，还包括：
至少一个数模转换器DAC，被配置为生成至少一个可编程参考，所述至少一个可编程参考基于所述极性来修改所述跳闸电流电平的所述值，
其中所述控制器还被配置为生成参考选择信号，所述参考选择信号选择所述跳闸电平选择器或所述至少一个可编程参考作为所述跳闸电流电平的修改器。
5.根据权利要求1所述的SSCB，其中：
所述至少一个固态开关包括一对反并联固态开关，并且所述SSCB被配置为双向断路器，
所述SSCB还包括电压极性检测电路，所述电压极性检测电路被配置为生成表示跨所述一对反并联固态开关的电压极性的第三输出，并且
所述控制器还被配置为：
使用所述至少一个ADC来测量所述电压极性检测电路的所述第三输出；
基于所述测量来确定跨所述一对反并联固态开关的所述电压极性；以及
利用所述至少一个控制信号，基于所述电压极性来交替所述一对反并联固态开关中的哪一个反并联固态开关正在导通。
6.根据权利要求5所述的SSCB，其中：
所述控制器还被配置为：
确定跨所述一对反并联固态开关的电压是否在零伏的阈值量内；以及
响应于确定所述电压在零伏的所述阈值量内，利用所述至少一个控制信号来关断所述一对反并联固态开关。
7.根据权利要求1所述的SSCB，其中：
所述至少一个固态开关包括反向阻断集成门极换向晶闸管RB-IGCT，并且所述SSCB被配置为单向断路器，
所述SSCB还包括电压极性检测电路，所述电压极性检测电路被配置为生成表示跨所述RB-IGCT的电压极性的第三输出，并且
所述控制器还被配置为：
使用所述至少一个ADC来测量所述电压极性检测电路的所述第三输出；
基于所述测量来确定跨所述RB-IGCT的所述电压极性是否已反转；以及
响应于确定跨所述RB-IGCT的所述电压极性已反转，利用所述至少一个控制信号来禁用通过所述SSCB的所述电流路径。
8.根据权利要求1所述的SSCB，其中：
所述至少一个固态开关包括反向阻断集成门极换向晶闸管RB-IGCT、非对称IGCT、碳化硅SiSiC绝缘栅双极晶体管IGBT、SiSiC金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、碳化硅SiC结型栅场效应晶体管JFET和SiC场效应晶体管FET中的至少一个。
9.一种操作固态断路器SSCB的方法，所述SSCB包括模拟故障检测电路和至少一个模数转换器ADC，所述模拟故障检测电路具有第一di/dt检测带宽，所述至少一个模数转换器ADC具有小于所述第一di/dt检测带宽的第二di/dt检测带宽，所述方法包括：
(a)利用所述至少一个ADC来生成电流感测电路的第一输出的样本，其中所述第一输出表示通过所述SSCB的电流路径的电流；
(b)基于所述样本来计算通过所述电流路径的所述电流；
(c)确定所计算的通过所述电流路径的电流是否超过所述SSCB的跳闸电流电平；
(d)响应于确定所计算的电流超过所述SSCB的所述跳闸电流电平，来禁用通过所述SSCB的所述电流路径；
(e)与(a)、(b)和(c)同时确定所述模拟故障检测电路的第二输出是否被断言，其中所述模拟故障检测电路被配置为响应于通过所述电流路径的所述电流超过所述SSCB的所述跳闸电流电平来断言所述第二输出；以及
(f)响应于确定所述第二输出被断言，来禁用通过所述SSCB的所述电流路径。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括：
由所述模拟故障检测电路来确定通过所述电流路径的所述电流的di/dt的幅度；以及
由所述模拟故障检测电路，基于所述电流的所述di/dt的所述幅度来修改所述跳闸电流电平的值。
11.根据权利要求9所述的方法，还包括：
由与所述电流感测电路的所述第一输出耦合的跳闸电平选择器来确定通过所述电流路径的所述电流的极性；以及
由所述跳闸电平选择器，基于所述极性来修改所述跳闸电流电平的值。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
生成至少一个可编程参考，所述至少一个可编程参考基于所述极性来修改所述跳闸电流电平的所述值；以及
选择所述跳闸电平选择器或者所述至少一个可编程参考作为所述跳闸电流电平的所述值的修改器。
13.根据权利要求9所述的方法，还包括：
确定跨一对反并联固态开关的电压极性，其中所述一对反并联固态开关被配置为选择性地启用和禁用通过所述SSCB的所述电流路径，并且其中所述SSCB被配置为双向断路器；以及
基于所述电压极性来交替所述一对反并联固态开关中的哪一个反并联固态开关正在导通。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
确定跨所述一对反并联固态开关的电压是否在零伏的阈值量内；以及
响应于确定所述电压在零伏的所述阈值量内，来关断所述一对反并联固态开关。
15.根据权利要求9所述的方法，还包括：
确定跨反向阻断集成门极换向晶闸管RB-IGCT的电压极性是否已反转，其中所述RB-IGCT被配置为基于至少一个控制信号来选择性地启用和禁用通过所述SSCB的所述电流路径，并且其中所述SSCB被配置为单向断路器；以及
响应于确定跨所述RB-IGCT的所述电压极性已反转，利用所述至少一个控制信号来禁用通过所述SSCB的所述电流路径。
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