CN118117552B - 碳化硅固态断路器零电流软关断跳闸拓扑及其控制方法 - Google Patents

碳化硅固态断路器零电流软关断跳闸拓扑及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种碳化硅固态断路器零电流软关断跳闸拓扑及其控制方法；所述拓扑包括电力二极管D1与电阻R1构成电感L1的泄放回路；电力二极管D2与电阻R2构成电容C1的泄放回路；电力二极管D3～D6构成的桥式电路，MOV电阻、C2和R2构成的旁路分支，电阻R1、电阻R2和主开关S1构成的自充电回路；电阻Rfault；以及电感L1、电容C1、主开关和辅助开关构成的瞬态换向电流注入辅助回路。本发明实现直流配电网电源侧和负荷侧任意侧的保护，结构简单，减少了功率损耗。消除大故障电流幅值时的栅极振荡，提高系统的安全性；另一方面还提高了跳闸速度。

Description

碳化硅固态断路器零电流软关断跳闸拓扑及其控制方法
技术领域
本发明属于电力工程技术领域，特别是涉及一种碳化硅固态断路器零电流软关断跳闸拓扑及其控制方法。
背景技术
碳化硅固态断路器(Solid State Circuit Breaker，SSCB)具有超快速故障清除和无电弧电流中断等众多优点，是目前新兴的可以实现直流配电网不同故障条件下的快速保护技术。但是目前普遍适用的主要保护跳闸技术方案仍然存在诸多局限性，无法同时达到保护的快速性和可靠性等一些基本标准。现有的用于碳化硅固态断路器(SSCB)的技术主要包括硬关断跳闸和软关断跳闸；硬关断跳闸在关断过程中，电压、电流均不为零，容易出现重叠，有显著的关断损耗，并且电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而导致关断噪声。软关断跳闸是使开关关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减小甚至消除关断损耗，同时，谐振过程限制了关断过程中电压和电流的变化率，这使得关断噪声也显著减小。现有的软关断跳闸无法实现故障的双向保护且器件繁多驱动损耗大。
目前SiC SSCB跳闸方案拓扑主要有故障电流旁路(Fault Current Bypass，FCB)硬关断跳闸，含正激－反激DC/DC转换器的栅极驱动器硬关断跳闸以及降栅压软关断跳闸。FCB硬关断跳闸拓扑如图1，该拓扑主要用于快速隔离轻载故障，将来自半导体开关和负载的故障电流分入旁路分支，然而，FCB硬关断跳闸不能处理由于较高di/dt和dv/dt引起的栅极振荡而引起的重负载故障。含正激－反激DC/DC转换器的栅极驱动器硬关断跳闸拓扑如图2，主要由一个常导通的SiC JFET作为固态开关和一个快速响应的栅极驱动组成，门极驱动电路包括故障检测电路和DC/DC转换器。当直流系统正常运行时，固态开关管JFET工作在导通状态；当发生短路时，栅极驱动器检测到故障信号，驱动JFET关断，实现故障隔离；虽然可以快速隔离故障，但是仍然产生较大的开关损耗。降栅压软关断跳闸当发生故障时，先降低栅极电压，使开关管维持导通状态。由于栅极电压降低，漏极电流ID也会降低到一定的数值，经过一定的延迟后，若开关管仍处于短路状态，则关闭开关管，从而实现跳闸。降栅压保护虽然能够减小开关管关断时刻的di/dt和dv/dt，但是跳闸辅助回路拓扑复杂、电力电子器件较多，增大了驱动电路设计的复杂性。除了上述存在的问题之外，现有技术的问题还包括不能实现直流配电网电源侧和负荷侧任意侧发生故障时的双向保护。因此进一步提高SSCB的性能是当前急需解决的重要技术问题，尤其是对碳化硅SSCB跳闸方案的拓扑改进。
发明内容
对于上述现有技术中存在的不足，本发明实施例的目的在于提供一种碳化硅固态断路器双向零电流软关断跳闸拓扑，以解决硬关断跳闸的损耗及重负载问题以及现有软关断跳闸中辅助回路的复杂性；实现直流配电网电源侧和负荷侧任意侧发生故障时的双向保护。
本发明的另一目的是提供一种碳化硅固态断路器零电流软关断跳闸拓扑控制方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种碳化硅固态断路器零电流软关断跳闸拓扑，所述拓扑包括电力二极管D1与电阻R1、电感L1构成的泄放回路，其中电力二极管D1的负极与电阻R1连接，电力二极管D1的正极与电感L1连接，用于泄放电感L1中的能量；
电力二极管D2、电阻R2、电容C1构成的泄放回路，其中电力二极管D2负极与电容C1一端连接，电容C1的另一端与电阻R2连接，电力二极管D2的正极与电阻R2连接；用于泄放电容C1中的能量；
电力二极管D3、D4、D5、D6构成的桥式电路，其中电力二极管D3负极与电力二极管D4负极连接，电力二极管D3正极与电力二极管D5负极连接，电力二极管D4正极与电力二极管D6负极连接，电力二极管D5正极与电力二极管D6正极连接，用于双向导通电源侧与负荷侧的电流；
MOV电阻、电容C2和电阻R2构成的旁路分支，其中电容C2一端同时与MOV电阻、电阻R2的一端连接，电容C2另一端同时与MOV电阻、电阻R2另一端连接，用于隔离故障电流；
电源、电阻R1、电阻R2、二极管D3、主开关S1、电容C1构成的自充电回路，其中电源正极与电力二极管D3正极连接，电力二极管D3负极与主开关S1漏极连接，主开关S1源极与电阻R1一端连接，电阻R1另一端与电容C1一端连接，电容C1另一端与电阻R2一端连接，电阻R2另一端与电源负极连接；用于向电容C1进行充电；
电阻Rfault，所述电阻Rfault一端与电力二极管负极连接，另一端与电力二极管D2正极连接，用于模拟故障发生时的线路和负荷状态；
电感L1、电容C1、主开关S1、电力二极管D1、辅助开关S2构成的TCCI辅助回路，其中主开关S1一端与电力二极管D1负极连接，电力二极管D1与电感L1一端连接，电感L1另一端与电容C1一端连接，电容C1另一端与辅助开关S2源极连接，辅助开关S2漏极与主开关S1漏极连接，用于使主开关S1流过反向电流。
进一步的，所述电容C1向电感L1、电容C1、主开关S1、辅助开关S2构成的TCCI辅助回路注入反向电流。
进一步的，主开关S1为常通型SiC JFET；辅助开关S2为常闭型SiC MOSFET。
一种碳化硅固态断路器零电流软关断跳闸拓扑控制方法，包括以下步骤：
S1、采样系统中的故障电流；
S2、判断故障电流是否超过断路器保护阈值，若故障电流未超过保护阈值，则重新采样；
S3、当故障电流超过保护阈值，导通S2，TCCI辅助回路产生反向电流流过主开关S1；
S4、软关断S1；C1进行反向充电，故障电流强制分流辅助开关S2和电容C2构成的回路，然后C2开始充电，直到C2两端电压达到MOV的钳位电压，MOV开始导通最终故障电流被隔离；
S5、当故障被完全隔离后，关断S2完成固态断路器软关断跳闸，C1和C2中剩余的能量通过R2进行泄放。
进一步的，所述S2中，故障电流未超过主开关S1的保护阈值时，主开关S1和电阻R1构成的回路正常导通，电容器C1充电。
本发明的有益效果是
本发明公开了一种碳化硅固态断路器零电流软关断跳闸拓扑及其控制方法，可以实现直流配电网电源侧和负荷侧任意侧的保护，一方面可以克服直流配电网中故障可能发生在任意一侧的困扰，另一方面该拓扑器件少，结构简单，大大减少了功率损耗。使用TCCI零电流软关断跳闸方案，一方面可以消除大故障电流幅值时的栅极振荡提高系统的安全性；另一方面还提高了跳闸速度且拓扑简单易于实现。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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FCB硬关断跳闸拓扑图；
图2是含正激－反激DC/DC转换器的栅极驱动器硬关断跳闸拓扑图；
图3是本实施方式SiC SSCB双向TCCI零电流软关断跳闸方案拓扑图；
图4是TCCI软关断跳闸拓扑图；
图5是SiC SSCB正常工作图；
图6是SiC SSCB故障状态图；
图7是双向TCCI零电流软关断跳闸工作原理图，(a)是S2工作示意图，(b)是TCCI辅助回路工作示意图，(c)是S1软关断示意图，(d)MOV导通示意图，(e)是故障电流隔离示意图；
图8是SiC SSCB电容释放原理图。
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、完整的描述，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做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。
如图4，本实施方式公开的SiC SSCB保护跳闸的拓扑采用的双向TCCI零电流软关断跳闸方案，将瞬态换向电流注入(Transient Commutation Current Injection，TCCI)引入SiC SSCB软关断，故障发生后，通过TCCI辅助回路产生在主开关流动的反向电流，使得流过主开关的故障电流减小，从而降低了电流变化率且主开关电压变化率也由TCCI参数决定，因此大大降低了电压变化率，消除栅极－源极振荡，且软关断跳闸还大大减小了开关损耗，拓扑简单易于实现。不仅提高了保护的快速性和可靠性而且提高了系统的安全性和稳定性。具体拓扑如图3所示，本发明通过由电力二极管构成的桥式电路，实现电源侧与负荷侧电流的双向流动进而实现故障的双向保护。
图中，D1～D6为电力二极管，其中D1与R1构成电感L1的泄放回路，实现电感L1中能量的泄放；D2与R2构成电容C1的泄放回路，实现电容C1中能量的泄放；D3～D6构成桥式电路，可以实现电流的双向流动进而实现故障的双向保护；MOV、C2和R2构成的辅助旁路，可实现故障的快速隔离；C1可通过由R1、R2和主开关S1构成的自充电回路进行充电，实现为由L1、C1、主开关S1和辅助开关S2构成的TCCI辅助回路注入反向电流；由于故障状态时间远远小于正常工作时间，主开关S1选用常通型SiC结型场效应晶体管(Junction Field EffectTransistor，JFET)而辅助开关S2选用常闭型SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MetalOxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)，可以大大减小驱动损耗；Rfault为故障电阻用来模拟故障发生时的线路和负荷状态。
如图6，本实施方式拓扑利用主开关S1、电容C1、电感L1和辅助开关S2构成的TCCI辅助回路注入反向电流，减小在主开关S1中流动的故障电流，进而消除栅极－源极振荡，最终实现双向TCCI零电流软关断跳闸。
如图5，碳化硅固态断路器双向TCCI零电流软关断跳闸拓扑正常工作时，线路正常导通，电容器C1充电。如图6，当线路负荷侧发生故障，系统中电流在故障回路流通。若检测到故障电流则开启TCCI零电流软关断跳闸。如图7所示，此时，S2被触发，TCCI辅助回路注入反向电流，主开关S1流过反向电流进而被软关断且C1进行反向充电，故障电流强制分流到旁路分支。随后，C2也开始充电，直到C2两端电压达到MOV的钳位电压，MOV开始导通，最终故障电流被隔离。当故障被完全隔离后，如图8，S2被关断，C1和C2中剩余的能量通过R2进行泄放，为下一次故障跳闸做准备。
基于上述碳化硅固态断路器双向TCCI零电流软关断跳闸拓扑，本实施方式通过如下方法进行控制：
S1、采样系统中的故障电流；
S2、判断故障电流是否超过断路器保护阈值，若故障电流未超过保护阈值，则重新采样；
S3、当故障电流超过保护阈值，导通S2；
S4、软关断S1；
S5、关断S2完成固态断路器软关断跳闸。
本发明提出的碳化硅固态断路器双向TCCI零电流软关断跳闸拓扑及控制方法可以实现直流配电网电源侧和负荷侧任意侧的保护，一方面可以克服直流配电网中故障可能发生在任意一侧的困扰，另一方面该拓扑器件少，结构简单，大大减少了功率损耗。采用了TCCI零电流软关断跳闸方案，一方面可以消除大故障电流幅值时的栅极振荡提高系统的安全性；另一方面，因为MOV、C2和R2构成的旁路分支在主开关S1关断后可将故障电流转移到旁路分支，使得跳闸速度大大提高，且拓扑简单易于实现。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非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作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种碳化硅固态断路器零电流软关断跳闸拓扑，其特征在于，所述拓扑包括电力二极管D1与电阻R1、电感L1构成的泄放回路，其中电力二极管D1的负极与电阻R1连接，电力二极管D1的正极与电感L1连接，用于泄放电感L1中的能量；
电力二极管D2、电阻R2、电容C1构成的泄放回路，其中电力二极管D2负极与电容C1一端连接，电容C1的另一端与电阻R2连接，电力二极管D2的正极与电阻R2连接；用于泄放电容C1中的能量；
电力二极管D3、D4、D5、D6构成的桥式电路，其中电力二极管D3负极与电力二极管D4负极连接，电力二极管D3正极与电力二极管D5负极连接，电力二极管D4正极与电力二极管D6负极连接，电力二极管D5正极与电力二极管D6正极连接，用于双向导通电源侧与负荷侧的电流；
MOV电阻、电容C2和电阻R2构成的旁路分支，其中电容C2一端同时与MOV电阻、电阻R2的一端连接，电容C2另一端同时与MOV电阻、电阻R2另一端连接，用于隔离故障电流；
电源、电阻R1、电阻R2、二极管D3、主开关S1、电容C1构成的自充电回路，其中电源正极与电力二极管D3正极连接，电力二极管D3负极与主开关S1漏极连接，主开关S1源极与电阻R1一端连接，电阻R1另一端与电容C1一端连接，电容C1另一端与电阻R2一端连接，电阻R2另一端与电源负极连接；用于向电容C1进行充电；
电阻Rfault，所述电阻Rfault一端与电力二极管D1负极连接，另一端与电力二极管D2正极连接，用于模拟故障发生时的线路和负荷状态；
电感L1、电容C1、主开关S1、电力二极管D1、辅助开关S2构成的TCCI辅助回路，其中主开关S1源极与电力二极管D1负极连接，电力二极管D1与电感L1一端连接，电感L1另一端与电容C1一端连接，电容C1另一端与辅助开关S2源极连接，辅助开关S2漏极与主开关S1漏极连接，用于使主开关S1流过反向电流。
2.根据权利要求1所述的碳化硅固态断路器零电流软关断跳闸拓扑，其特征在于，所述电容C1向电感L1、电容C1、主开关S1、辅助开关S2构成的TCCI辅助回路注入反向电流。
3.根据权利要求1所述的碳化硅固态断路器零电流软关断跳闸拓扑，其特征在于，主开关S1为常通型SiC JFET；辅助开关S2为常闭型SiC MOSFET。
4.一种如权利要求1-3任一项所述的碳化硅固态断路器零电流软关断跳闸拓扑控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采样系统中的故障电流；
S2、判断故障电流是否超过断路器保护阈值，若故障电流未超过保护阈值，则重新采样；
S3、当故障电流超过保护阈值，导通S2，TCCI辅助回路产生反向电流流过主开关S1；
S4、软关断S1；C1进行反向充电，故障电流强制分流辅助开关S2和电容C2构成的回路，然后C2开始充电，直到C2两端电压达到MOV的钳位电压，MOV开始导通最终故障电流被隔离；
S5、当故障被完全隔离后，关断S2完成固态断路器软关断跳闸，C1和C2中剩余的能量通过R2进行泄放。
5.根据权利要求4所述的碳化硅固态断路器零电流软关断跳闸拓扑控制方法，其特征在于，所述S2中，故障电流未超过断路器的保护阈值时，主开关S1和电阻R1构成的回路正常导通，电容器C1充电。
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