CN216413920U - 一种基于晶闸管的双向固态直流断路器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于晶闸管的双向固态直流断路器，包括主回路、换流回路、能量吸收回路、监测单元和栅极控制单元，主回路包括第一直流电源V₁、第二直流电源V₂、高压晶闸管模块和低压全控模块，换流回路包括第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、第一电容(C₁)和第一电容(C₂)，能量吸收回路由两个避雷器组成，两个避雷器分别与高压晶闸管模块、低压全控模块并联，监测单元由霍尔电流传感器和电压比较器构成。本实用新型具有较低的功率损耗与成本，具有更紧凑的电路、更简单的驱动控制、更快的响应速度和更高的可靠性。

Description

一种基于晶闸管的双向固态直流断路器

技术领域

本实用新型涉及断路器技术领域，尤其涉及一种基于晶闸管的双向固态直流断路器。

背景技术

直流配电网络由于可更高效可靠地接纳风、光等分布式可再生能源发电系统、储能单元、电动汽车及其他直流用电负荷而得到了迅速的发展。然而，由于直流配电网络系统阻抗小且缺乏天然的电流过零点，一旦故障发生，迅速上升的故障电流将会在极短的时间内对网络造成大面积的破坏。因此，能迅速且有效清除故障的直流断路器成为了直流配电网进一步发展的关键技术之一。

直流断路器按照分断原理可以分为基于机械开关的机械式直流断路器、基于功率半导体器件的固态直流断路器以及机械开关与功率半导体器件结合的混合式断路器。机械式断路器具有功耗小、耐压高的优点。但是，基于电热耦合分断原理的机械式断路器故障响应和分断时间长，无法满足直流配电网高速保护的应用需求。同时，机械式断路器在故障分断过程中会产生电弧，出现接触头烧蚀现象，降低其可靠性。混合式断路器结合了机械开关低功耗特性和功率半导体器件快速响应特性，目前也被用于一些高压直流配电系统中。但是混合式断路器依然存在着体积大、成本高、故障分断时间长等缺点。而固态直流断路器由于具有较短的故障响应和分断时间、更长的寿命以及便于智能化监控等优势而备受关注。

然而，与机械式断路器和混合式断路器相比，固态直流断路器主要的缺点就是功耗较大。由于直流断路器的功耗主要来自于功率器件的导通功耗。目前主流的固态直流断路器主要是以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为开关器件，但是IGBT 导通时候由于发射极侧反偏PN结的存在，导通压降较大。基于碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)的宽禁带半导体器件具有较低的导通功耗，但是宽禁带半导体器件还处于初步发展阶段，其应用受到了器件可靠性和成本的限制。晶闸管器件导通时可以工作在电流反馈的机制下而具备极低的导通功耗。同时，晶闸管还具有比IGBT、宽禁带功率半导体器件更低的成本。因此，基于晶闸管的固态直流断路器可以极大的提升系统的功率效率，同时降低系统的装配成本。但是晶闸管属于半控型器件，只能通过栅极触发器件开启，而无法通过栅极关断器件。因此，基于晶闸管的固态直流断路器需要添加额外的换流回路，实现故障电流分断的能力。而目前基于晶闸管的固态直流断路器存在着换流回路拓扑复杂、换流过程存在反向电压过冲等问题，限制了基于晶闸管的固态直流断路器的进一步发展。另一方面，目前大多数断路器都是单向结构，已经满足不了日益发展的直流输(配) 电网络的需要(申请号：201510858644.9)。而一些双向断路器则存在电路结构复杂、驱动控制困难等特点(申请号：201610630952.0)。这些都制约了直流配电系统的发展。

实用新型内容

本实用新型所要解决的，就是针对上述问题，提出一种基于晶闸管的双向固态直流断路器。本实用新型就是利用驱动简单、导通功耗低、可靠性高的晶闸管器件，并匹配以结构简单的断路器拓扑与驱动策略，实现了一种功耗低、响应速度快、成本低、体积小、可靠性高的固态直流断路器。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于晶闸管的双向固态直流断路器，包括第一直流电源V₁、第二直流电源V₂、高压晶闸管模块、低压全控模块、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、第一高压电容(C₁)、第二高压电容(C₂)、避雷器、霍尔电流传感器、电压比较器和栅极控制单元；

第一直流电源V₁、第二直流电源V₂、高压晶闸管模块和低压全控模块构成主回路，所述高压晶闸管模块的一端连接到第一直流电源V1的正极，另一端与低压全控模块的一端连接，所述低压全控模块的另一端连接到第二直流电源V2 的正极；正常工作时，高压晶闸管模块和低压全控模块同时导通；

第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、第一高压电容(C₁)和第一高压电容(C₂)构成换流回路，所述第一二极管(D₁) 与第一电阻(R₁)并联后的一端与第一高压电容(C₁)的一端串联，并联后的另一端连接到第一直流电源V₁的正极，所述第一高压电容(C₁)的另一端连接至第二直流电源V₂的正极；所述第二二极管(D₂)与第二电阻(R₂)并联后的一端与第二高压电容(C₂)的一端串联，并联后的另一端连接至第一直流电源V₁的正极，所述第二高压电容C₂)的另一端连接至第二直流电源V₂的正极；电流正向流动时，第一二极管(D₁)工作在导通状态，第二二极管(D₂)工作在阻断状态，第一高压电容(C₁)被充电；电流反向流动时，第二二极管(D₁)工作在导通状态，第一二极管(D₂)工作在阻断状态，第二高压电容(C₁)被充电；

两个所述避雷器分别与高压晶闸管模块、低压全控模块并联，主回路电流线穿过霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器的输出端连接到电压比较器的输入端，所述电压比较器的另一输入端连接比较电压V_T，所述电压比较器的输出端连接到栅极控制单元的输入端，所述栅极控制单元的输出端连接到高压晶闸管模块、低压全控模块的栅极；

霍尔电流传感器和电压比较器构成监测单元，发生短路后，主回路的电流上升，使得霍尔电流传感器的输出电压信号增大，当增大到超过预设的比较电压 V_T时，则会触发栅极控制单元工作，关闭低压全控模块，此时换流回路通过电容 (C₁或C₂)被充电，充电电流流经高压晶闸管的方向与短路电流相反。

进一步，所述高压晶闸管模块由多个双向开关对串联组成，所述双向开关对由两个晶闸管反向并联组成；所述低压全控模块由两个低压全控开关反向并联组成，所述低压全控开关由一个低压全控器件与一个低压二极管反向并联组成；所述栅极控制单元的输出端连接到所有晶闸管和低压全控器件的栅极

进一步，所述低压全控器件为MOSFET、IGBT或HEMT。

进一步，所述栅极控制单元根据监测单元的输出信号和内部预设的触发保护信号的比较结果对高压晶闸管模块和低压全控模块进行控制。

相比现有技术，本实用新型的有益效果是：

本实用新型采用的电路拓扑结构紧凑，仅需较少的无源器件和功率器件，且换流电容C₁和C₂无需额外的预充电电源进行预充电，从而大大减低了断路器的成本和体积；

本实用新型的换流回路仅需要一个信号便能触发电路保护，大大简化了监测单元和栅极控制单元的复杂度，提升了断路器的响应速度和分断电流的可靠性；

总的来说，与其他类型断路器相比，本实用新型断路器具有较低的功率损耗与成本，且与现有的基于晶闸管的固态直流断路器相比，本实用新型具有更紧凑的电路、更简单的驱动控制、更快的响应速度和更高的可靠性。

附图说明

图1是本实用新型中的一种基于CS-MCT的双向直流断路器的电路拓扑图；

图2是本实用新型中断路器的正常工作示意图；

图3是本实用新型中断路器的故障换流工作示意图；

图4是本实用新型中断路器的准零点恢复工作示意图；

图5是本实用新型中断路器的瞬态特性测试图；

图6是本实用新型的断路器与现有断路器的成本与功耗对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步的详细说明：

如图1所示，为本实用新型的一种基于晶闸管的双向固态直流断路器的电路拓扑图，基于晶闸管的双向固态直流断路器包括主回路、换流回路、能量吸收回路、监测单元和栅极控制单元。

主回路包括第一直流电源V₁、第二直流电源V₂、高压晶闸管模块和低压全控模块，高压晶闸管模块的一端连接到第一直流电源V1的正极，另一端与低压全控模块的一端连接，低压全控模块的另一端连接到第二直流电源V2的正极；正常工作时，高压晶闸管模块和低压全控模块同时导通。

高压晶闸管模块由两个双向开关对串联组成，双向开关的数目可由具体应用条件决定，双向开关对由两个晶闸管反向并联组成；低压全控模块由两个低压全控开关反向并联组成，低压全控开关由一个低压全控器件与一个低压二极管反向并联组成。

换流回路包括第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、第一高压电容(C₁)和第二高压电容(C₂)，第一二极管(D₁) 与第一电阻(R₁)并联后的一端与第一高压电容(C₁)的一端串联，并联后的另一端连接到第一直流电源V₁的正极，第一高压电容(C₁)的另一端连接至第二直流电源V₂的正极；第二二极管(D₂)与第二电阻(R₂)并联后的一端与第二高压电容(C₂)的一端串联，并联后的另一端连接至第一直流电源V₁的正极，第二高压电容C₂)的另一端连接至第二直流电源V₂的正极；电流正向流动时，第一二极管(D₁)工作在导通状态，第二二极管(D₂)工作在阻断状态，第一高压电容(C₁)被充电；电流反向流动时，第二二极管(D₁)工作在导通状态，第一二极管(D₂)工作在阻断状态，第二高压电容(C₁)被充电。

能量吸收回路由两个避雷器组成，两个避雷器分别与高压晶闸管模块、低压全控模块并联，主回路电流线穿过霍尔电流传感器，霍尔电流传感器的输出端连接到电压比较器的输入端，电压比较器的另一输入端连接比较电压V_T，电压比较器的输出端连接到栅极控制单元的输入端，栅极控制单元的输出端连接到所有晶闸管和低压全控器件的栅极。

监测单元由霍尔电流传感器和电压比较器构成，发生短路后，主回路的电流上升，使得霍尔电流传感器的输出电压信号增大，当增大到超过预设的比较电压 V_T时，则会触发栅极控制单元工作，关闭低压全控模块，此时换流回路通过电容 (C₁或C₂)被充电，充电电流流经高压晶闸管的方向与短路电流相反。

栅极控制单元则根据监测单元的输出信号和内部预设的触发保护信号的比较结果对高压晶闸管模块和低压全控模块进行控制。

由于本实用新型的固态直流断路器在电路拓扑上具有对称性，因此这里以电流正向流动为例进行分析，即断路器的左端为供电端，右端为负载端。该电路的基本工作原理为：

当直流系统工作在关闭状态时，系统电压主要由高压晶闸管模块承担，而低压全控模块只承受少部分系统电压。因此，本实用新型的固态直流断路器主要由大量廉价的高压晶闸管和少数昂贵的低压全控器件组成，进而极大地降低了断路器的装配成本。当直流系统工作在正常传输电流状态时，如图2所示，系统电流流过高压晶闸管模块和低压全控模块给负载供电。由于晶闸管具有的低导通功耗特性可以极大地提升断路器的功率效率。当负载侧发生故障时，主回路的短路电流将会急剧上升，其上升速率取决于直流电源电压和短路阻抗。与此同时，由于主回路电流上升，使得霍尔电流传感器的输出电压信号增大。当增大到超过预设电压值时，则会触发栅极驱动模块工作，进而关闭低压全控模块。

如图3所示，当低压全控器件关闭后，与低压全控模块并联的避雷器会迅速工作在电压钳位区，其两端的电压也迅速上升至钳位电压。与此同时，该钳位电压也会叠加至换流的两端给换流回路的电容进行充电。由于该充电电流是反向流过晶闸管的，因此迫使晶闸管上的电流下降当零，从而自然关断晶闸管。然而，晶闸管在电流过零点后还没有完全关断。这是由于在电流过零点时，器件内部还存储着大量的过剩载流子。因此，要完全关断晶闸管，还需要将其内部过剩载流子完全抽取出器件。传统基于晶闸管的固态直流断路器均采用反向抽取过剩载流子的方法使晶闸管完成反向恢复过程从而关闭。然而，反向恢复过程会在器件两端产生极大的反向电压过冲，从而加速器件的老化速度甚至直接损坏器件，降低系统的可靠性。

本实用新型的断路器在晶闸管上电流下降为零后，与低压全控器件并联的避雷器会继续工作在漏电区，其上流过小的漏电流，如图4所示。在晶闸管器件层面，该漏电流主要是由晶闸管正向抽取内部过剩载流子来承担。这也意味着本实用新型断路器的晶闸管可以通过正向恢复过程来实现晶闸管的成功关断。因此，完全消除了传统基于晶闸管的断路器存在的反向过压问题，提升了系统的可靠性。

图5给出了本实用新型的直流固态断路器在直流电压为25kV时的瞬态工作波形，可以看出本实用新型断路器可以在毫秒量级的时间内成功分断3kA的故障电流，体现了该断路器的高速特性。同时，该断路器内部晶闸管成功实现了正向恢复过程，完全消除了反向过压问题，进而提升了系统的可靠性。

图6给出了本实用新型断路器与混合式断路器、基于IGBT的固态直流断路器和基于IGCT的固态直流断路器的成本与功耗对比。可以看出，本实用新型的固态直流断路器的成本和功耗均要低于其他三款断路器，体现了本实用新型断路器的有效性。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (4)

1.一种基于晶闸管的双向固态直流断路器，其特征在于：包括第一直流电源V₁、第二直流电源V₂、高压晶闸管模块、低压全控模块、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、第一高压电容(C₁)、第二高压电容(C₂)、避雷器、霍尔电流传感器、电压比较器和栅极控制单元；

第一直流电源V₁、第二直流电源V₂、高压晶闸管模块和低压全控模块构成主回路，所述高压晶闸管模块的一端连接到第一直流电源V1的正极，另一端与低压全控模块的一端连接，所述低压全控模块的另一端连接到第二直流电源V2的正极；正常工作时，高压晶闸管模块和低压全控模块同时导通；

第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)、第一高压电容(C₁)和第二高压电容(C₂)构成换流回路，所述第一二极管(D₁)与第一电阻(R₁)并联后的一端与第一高压电容(C₁)的一端串联，并联后的另一端连接到第一直流电源V₁的正极，所述第一高压电容(C₁)的另一端连接至第二直流电源V₂的正极；所述第二二极管(D₂)与第二电阻(R₂)并联后的一端与第二高压电容(C₂)的一端串联，并联后的另一端连接至第一直流电源V₁的正极，所述第二高压电容C₂)的另一端连接至第二直流电源V₂的正极；电流正向流动时，第一二极管(D₁)工作在导通状态，第二二极管(D₂)工作在阻断状态，第一高压电容(C₁)被充电；电流反向流动时，第二二极管(D₁)工作在导通状态，第一二极管(D₂)工作在阻断状态，第二高压电容(C₁)被充电；

两个所述避雷器分别与高压晶闸管模块、低压全控模块并联，主回路电流线穿过霍尔电流传感器，所述霍尔电流传感器的输出端连接到电压比较器的输入端，所述电压比较器的另一输入端连接比较电压VT，所述电压比较器的输出端连接到栅极控制单元的输入端，所述栅极控制单元的输出端连接到高压晶闸管模块、低压全控模块的栅极；

霍尔电流传感器和电压比较器构成监测单元，发生短路后，主回路的电流上升，使得霍尔电流传感器的输出电压信号增大，当增大到超过预设的比较电压V_T时，则会触发栅极控制单元工作，关闭低压全控模块，此时换流回路通过第一高压电容(C₁)或第二高压电容(C₂)被充电，充电电流流经高压晶闸管的方向与短路电流相反。

2.根据权利要求1所述的一种基于晶闸管的双向固态直流断路器，其特征在于：所述高压晶闸管模块由多个双向开关对串联组成，所述双向开关对由两个晶闸管反向并联组成；所述低压全控模块由两个低压全控开关反向并联组成，所述低压全控开关由一个低压全控器件与一个低压二极管反向并联组成；所述栅极控制单元的输出端连接到所有晶闸管和低压全控器件的栅极。

3.根据权利要求2所述的一种基于晶闸管的双向固态直流断路器，其特征在于：所述低压全控器件为MOSFET、IGBT或HEMT。

4.根据权利要求3所述的一种基于晶闸管的双向固态直流断路器，其特征在于：所述栅极控制单元根据监测单元的输出信号和内部预设的触发保护信号的比较结果对高压晶闸管模块和低压全控模块进行控制。

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