CN213426123U - 一种基于第三代半导体的断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于第三代半导体的断路器，包括主回路输入端、主回路输出端和集成逻辑控制电路；所述主回路输入端与主回路输出端之间串联有电流互感器TA1和第三代半导体开关VS的第一串联支路；所述第一串联支路并联有第二串联支路，所述第二串联支路包括串联的电流互感器TA2和低压大电流接触器KM；电流互感器TA1和电流互感器TA2向集成逻辑控制电路输入电流检测信号，集成逻辑控制电路向第三代半导体开关VS与低压大电流接触器KM输出分闸、合闸控制信号。本实用新型将第三代半导体开关与低电压大电流接触器相结合，利用第三代半导体开关在不产生电弧的情况下，能够接通或断开高压电路，其通态电阻低，合闸和分闸时不因放电产生高温。

Description

一种基于第三代半导体的断路器

技术领域

本实用新型涉及高压输配电技术领域，具体涉及一种能够关合、承载和开断正常回路电流，并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路电流的断路器。

背景技术

半导体开关是利用功率半导体(金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT等)的开关特性，制成的无触点的开关器件，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的。

半导体开关优缺点如下：

优点：

1、无触点无火花地接通和断开电路；

2、开关时间短，约为10ms，可应用在频率较高的场合；

3、结构上采用了灌注全密封方式，因此，具有耐振、耐腐蚀、长寿命及高可靠等优点；

4、灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好。

缺点：

1、导通后压降大，导通电阻也较机械触点的接触电阻大；

2、关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离；

3、导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高；

4、温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低；

5、对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻尼电路对其进行过载保护。负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降；

采用第一代半导体材料的半导体开关，由于阻断电压低和通态电阻高，所以只适用电压小于600V及电流小于100A的场景。限制了其在高压(3kV以上)、大电流(1000A以上)条件下的应用。

第三代半导体(以SiC和GaN为主)又称宽禁带半导体，禁带宽度在2.2eV以上，与第一代、第二代半导体材料相比，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，更适合于制作高压、高温、高频、抗辐射及大功率器件。美国普渡大学已经采用横向器件结构制造出了横向金氧半场效晶体管DMOSFET，采用这种结构已经制造出了阻断电压高达2.6kv的横向金氧半场效晶体管LDMOSFET。然而目前的LDMOSFET的特征通态电阻还比较高，约为几十mΩ。导通电阻高意味着电流通过时发热量大，以通态电阻40mΩ、导通电流1000A计算，热功率达到40kw。目前在高压、大电流条件下使用的“真空断路器”的通态电阻仅为几十μΩ，相差3个数量级。可见通态电阻高是制约半导体开关在高压、大电流条件下应用的主要因素。

因此，如何提供一种能够克服半导体开关通态电阻高的断路器及其控制方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于第三代半导体的断路器，将第三代半导体开关与低电压大电流接触器相结合，利用第三代半导体开关在不产生电弧的情况下，能够接通或断开高压电路，其通态电阻低，合闸和分闸时不因放电产生高温。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型第一方面提供了一种基于第三代半导体的断路器，包括主回路输入端、主回路输出端和集成逻辑控制电路；所述主回路输入端与主回路输出端之间串联有电流互感器TA1和第三代半导体开关VS的第一串联支路；所述第一串联支路并联有第二串联支路，所述第二串联支路包括串联的电流互感器TA2和低压大电流接触器KM；电流互感器TA1和电流互感器TA2向集成逻辑控制电路输入电流检测信号，集成逻辑控制电路向第三代半导体开关VS与低压大电流接触器KM输出分闸、合闸控制信号。

优选的，所述集成逻辑控制电路连接有控制信号输入端和信号反馈输出端；所述控制信号输入端用于接收分闸、合闸控制指令；所述信号反馈输出端用于输出分闸、合闸完成信号或分闸、合闸未完成的报警信号。

优选的，所述第三代半导体开关采用横向金氧半场效晶体管LDMOSFET。

本实用新型第二方面提供了一种基于第一方面所述的基于第三代半导体的断路器的控制方法，包括合闸控制过程和分闸控制过程：

合闸初始状态为第三代半导体开关VS和低电压大电流接触器KM处于关断状态，电流互感器TA1和电流互感器TA2均无电流；合闸控制过程：

S11、集成逻辑控制电路控制第三代半导体开关VS接通；接通后，电流互感器TA1向集成逻辑控制电路输入有电流信号；

S12、集成逻辑控制电路控制低压大电流接触器KM接通；接通后，电流互感器TA1向集成逻辑控制电路输入无电流信号，电流互感器TA2向集成逻辑控制电路输入有电流信号，此时合闸完成；

分闸初始状态为第三代半导体开关VS和低电压大电流接触器KM处于接通状态，电流互感器TA1无电流，电流互感器TA2有电流；分闸控制过程：

S21、集成逻辑控制电路控制低压大电流接触器KM断开；断开后，电流互感器TA2向集成逻辑控制电路输入无电流信号，电流互感器TA1向集成逻辑控制电路输入有电流信号；

S22、集成逻辑控制电路控制第三代半导体开关VS断开，断开后，电流互感器TA1向集成逻辑控制电路输入无电流信号，电流互感器TA2向集成逻辑控制电路输入无电流信号，此时分闸完成。

优选的，合闸控制过程还包括：

S11中，若集成逻辑控制电路未接收到电流互感器TA1发出的有电流信号则集成逻辑控制电路报警；

S12中，若集成逻辑控制电路未接收到电流互感器TA1发出的无电流信号，和/或集成逻辑控制电路未接收到电流互感器TA2发出的有电流信号，则集成逻辑控制电路报警。

优选的，分闸控制过程还包括：

S21中，若集成逻辑控制电路未接收到电流互感器TA2发出的无电流信号，和/或集成逻辑控制电路未接收到电流互感器TA1发出的有电流信号，则集成逻辑控制电路报警；

S22中，若集成逻辑控制电路未接收到电流互感器TA1发出的无电流信号，和/或集成逻辑控制电路未接收到电流互感器TA2发出的无电流信号，则集成逻辑控制电路报警。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型的有益效果包括：

基于第三代半导体的断路器与真空断路器相比有如下优点：

1、合闸时不产生弹跳；

2、通态电阻更低；

3、触头不会被电弧损耗；

4、合闸和分闸时不因放电产生高温；

本实用新型具有两方面意义，一是为第三代半导体在高压、大电流领域的应用打开局面，为营造第三代半导体的生态环境做出贡献；二是提供了一种通态电阻更低的真空断路器替代方案，能更好的刺激断路器行业的技术进步。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图；

图1为本实用新型提供的基于第三代半导体的断路器的逻辑电路图；

图2为本实用新型提供的基于第三代半导体的断路器合闸控制逻辑图；

图3为本实用新型提供的基于第三代半导体的断路器分闸控制逻辑图；

图4为本实用新型提供的基于第三代半导体的断路器的电路结构图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实施例公开的一种基于第三代半导体的断路器，如图1示出了断路器的逻辑电路图，包括：主回路输入端、主回路输出端和集成逻辑控制电路；主回路输入端与主回路输出端之间串联有电流互感器TA1和第三代半导体开关VS的第一串联支路；第一串联支路并联有第二串联支路，第二串联支路包括串联的电流互感器TA2和低压大电流接触器KM；电流互感器TA1和电流互感器TA2向集成逻辑控制电路输入电流检测信号，集成逻辑控制电路向第三代半导体开关VS与低压大电流接触器KM输出分闸、合闸控制信号。

本实施例中，将第三代半导体开关与低电压大电流接触器相结合，利用第三代半导体开关在不产生电弧的情况下，能够接通或断开高压电路。由于第三代半导体具有耐高温特性，所以第三代半导体开关可以在很短时间内承受大电流产生的热量。在合闸过程中，第三代半导体开关负责瞬间接通高压电路，接通后，第三代半导体开关输入端和输出端电压差降到很低，此时低电压大电流接触器闭合，直接导通第三代半导体开关输入端和输出端，即电路中的大电流绕过第三代半导体开关从低电压大电流接触器流过，实现稳定可靠地电路导通。分闸时，先断开低电压大电流接触器，此时第三代半导体开关承受瞬间大电流，之后，马上关断第三代半导体开关，实现电路断开。无论是合闸还是分闸过程中，第三代半导体开关都只是在瞬间承受大电流，电路处于导通状态时，大电流由低电压大电流接触器承担。

现有的真空断路器接通或者断开电路时，触头间电压差高达几千伏至几百千伏，所以触头的形式要需兼顾高电压和大电流。低电压大电流接触器接通或者断开电路时，触头间电压差仅为几伏至十几伏，其接通或断开电路时不会产生高压放电，接触器触头的形式只需考虑如何承担大电流，即如何保证接触电阻更低，所以低电压大电流接触器的通态电阻可以做到比真空断路器要更低。

在一个实施例中，集成逻辑控制电路连接有控制信号输入端和信号反馈输出端；控制信号输入端用于接收分闸、合闸控制指令；信号反馈输出端用于输出分闸、合闸完成信号或分闸、合闸未完成的报警信号。控制信号输入端、信号反馈输出端、主回路输入端、主回路输出端为4个对外端点。断路器的状态信号由信号反馈输出端输出。

在一个实施例中，第三代半导体开关采用横向金氧半场效晶体管LDMOSFET。电流互感器型号可以采用LZZBJ9-10KV电流互感器5-4000/5，耐压10kv。低压大电流接触器可以采用型号为ABB框架Emax空气断路器开关，额定电流3200A。

下面给出本实施例的具体控制方法：

参见图2示出了合闸控制过程：

合闸初始状态为第三代半导体开关VS和低电压大电流接触器KM处于关断状态，电流互感器TA1和电流互感器TA2均无电流；合闸控制过程：

合闸时，初始状态为第三代半导体开关VS和“低电压大电流接触”KM处于关断状态，电流互感器TA1和电流互感器TA2的无电流。此时控制信号输入端接收到合闸指令，集成逻辑控制电路控制VS接通。VS接通后，TA1向集成逻辑控制电路输入有电流信号，若无电流则报警。确定TA1有电流后，集成逻辑控制电路控制KM接通，KM接通后，TA1向集成逻辑控制电路输入无电流信号，TA2向集成逻辑控制电路输入有电流信号，此时合闸完成，否则报警。报警信号或合闸完成信号从信号反馈输出端输出。

参见图3示出了分闸控制过程：

分闸时，初始状态为第三代半导体开关VS和低电压大电流接触KM处于接通状态，电流互感器TA1无电流，电流互感器TA2有电流。此时控制信号输入端接收到分闸指令，集成逻辑控制电路控制KM断开。KM断开后，TA2向集成逻辑控制电路输入无电流信号，TA1向集成逻辑控制电路输入有电流信号，否则报警。确定TA2无电流，TA1有电流后，集成逻辑控制电路控制VS断开，VS断开后，TA1向集成逻辑控制电路输入无电流信号，TA2向集成逻辑控制电路输入无电流信号，此时分闸完成，否则报警。报警信号或分闸完成信号从信号反馈输出端输出。

本领域技术人员可以理解的是，报警信号由集成逻辑控制电路的信号反馈输出端输出。

参见图4示出了本实施例提供的基于第三代半导体的断路器的电路结构图。图中集成逻辑控制电路包括主控器，主控器可以采用PLC等可编程逻辑控制器，主控器的输入引脚X2、X3分别连接电流互感器TA1、电流互感器TA2，用于接收第一串联支路和第二串联支路的检测电流信号；主控器的控制引脚Y2连接第三代半导体开关VS，用于控制VS的基极电流。主控器的控制引脚Y0连接KM，用于实现对KM闭合、断开的控制信号输出，并且，KM串接在TA2支路上。SB1、SB2作为合闸、分闸的控制开关，向主控器输入外部的合闸控制信号和分闸控制信号，主控器据此判断向KM发送闭合或断开控制指令。

以上对本实用新型所提供的基于第三代半导体的断路器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (3)

1.一种基于第三代半导体的断路器，其特征在于，包括主回路输入端、主回路输出端和集成逻辑控制电路；所述主回路输入端与主回路输出端之间串联有电流互感器TA1和第三代半导体开关VS的第一串联支路；所述第一串联支路并联有第二串联支路，所述第二串联支路包括串联的电流互感器TA2和低压大电流接触器KM；电流互感器TA1和电流互感器TA2向集成逻辑控制电路输入电流检测信号，集成逻辑控制电路向第三代半导体开关VS与低压大电流接触器KM输出分闸、合闸控制信号。

2.根据权利要求1所述的基于第三代半导体的断路器，其特征在于，所述集成逻辑控制电路连接有控制信号输入端和信号反馈输出端；所述控制信号输入端用于接收分闸、合闸控制指令；所述信号反馈输出端用于输出分闸、合闸完成信号或分闸、合闸未完成的报警信号。

3.根据权利要求1所述的基于第三代半导体的断路器，其特征在于，所述第三代半导体开关采用横向金氧半场效晶体管LDMOSFET。

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