CN220775800U - 关断器、电能单元及光伏系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种关断器、电能单元及光伏系统，属于电力系统技术领域。关断器包括：第一节点；第二节点，用于耦接电源组件的第一极；开关电路，开关电路的第一端与第一节点耦接，开关电路的第二端用于耦接电源组件的第二极；耗尽型开关管，耗尽型开关管的漏极与第一节点耦接，耗尽型开关管的源极与第二节点耦接；控制电路，配置为控制所述开关电路导通或断开，以及控制所述耗尽型开关管导通或断开。通过采用耗尽型开关管作为旁通回路，关断器自身异常(除耗尽型开关管自身损坏)时，旁通回路的导通损耗较低。

Description

关断器、电能单元及光伏系统

技术领域

本申请属于电力系统技术领域，尤其涉及一种关断器、电能单元及光伏系统。

背景技术

在光伏系统中，光伏组件通常采用串联的方式进行级联，各级光伏组件耦接有关断器。关断器可以在系统异常时将光伏组件断开，同时打开旁通回路，使上一级光伏组件的电流通过旁通回路直接流至下一级光伏组件。目前，在关断器自身异常时，旁通回路的导通阻抗较高，导通损耗较高。

实用新型内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种关断器、电能单元及光伏系统，在关断器自身异常时，旁通回路的导通损耗较低。

第一方面，本申请提供了一种关断器，包括：

第一节点；

第二节点，用于耦接电源组件的第一极；

开关电路，开关电路的第一端与第一节点耦接，开关电路的第二端用于耦接电源组件的第二极；

耗尽型开关管，耗尽型开关管的漏极与第一节点耦接，耗尽型开关管的源极与第二节点耦接；

控制电路，分别与开关电路和耗尽型开关管耦接，且配置为控制开关电路导通或断开，以及控制耗尽型开关管导通或断开。

根据本申请的关断器，通过采用耗尽型开关管作为旁通回路，其导通压降小，损耗低，且采用负压驱动控制耗尽型开关管关断，在关断器自身损坏(除耗尽型开关管自身损坏)时，负压消失，耗尽型开关管导通，使得关断器在故障时，旁通回路的损耗较低。

根据本申请的一个实施例，控制电路包括：

控制芯片，配置为提供第一控制信号和第二控制信号，第一控制信号用于驱动开关电路；

负压驱动电路，分别与耗尽型开关管的源极和栅极耦接，且配置为在第二控制信号的控制下，在源极和所述栅极之间形成电位差，栅极的电位低于源极的电位。

根据本申请的一个实施例，负压驱动电路包括：

第一电容，第一电容的第一端与耗尽型开关管的源极耦接，第一电容的第二端与耗尽型开关管的栅极耦接；

电阻，与第一电容并联；

电源电路，电源电路的正极与第一电容的第一端耦接，电源电路的负极与第一电容的第二端耦接，电源电路配置为在接收到第二控制信号时提供电源，并在未接收到第二控制信号时停止提供电源。

根据本申请的一个实施例，关断器还包括反激电源电路，用于利用电源组件的电能提供辅助电源；电源电路包括：

次级绕组，与反激电源电路中的初级绕组耦合；

第一二极管，第一二极管的阴极与次级绕组的第一端耦接；

第二电容，第二电容的第一端与次级绕组的第二端耦接，第二电容的第二端分别与第一二极管的阳极和第一电容的第二端耦接；

第一开关管，耦接于第二电容的第一端和第一电容的第一端之间，且配置为在接收到第二控制信号时导通，并在未接收到第二控制信号时断开。

根据本申请的一个实施例，电源电路包括：

辅助电源和第三电容；

第二开关管，耦接于辅助电源的正极和第三电容的第一端之间；

第三开关管，耦接于辅助电源的负极和第三电容的第二端之间；

第四开关管，耦接于第三电容的第一端和第一电容的第一端之间；

第二二极管，第二二极管的阳极与第一电容的第二端耦接，第二二极管的阴极与第三电容的第二端耦接；

第二开关管、第三开关管和第四开关管均在第二控制信号的控制下导通或断开。

根据本申请的一个实施例，负压驱动电路还包括：

稳压管，稳压管的阴极与第一电容的第一端耦接，稳压管的阳极与第一电容的第二端耦接。

根据本申请的一个实施例，耗尽型开关管为耗尽型IGBT管、耗尽型MOS管或者耗尽型GaN器件。

根据本申请的一个实施例，开关电路包括：

第五开关管，第五开关管的第一端与第一节点耦接，第五开关管的第二端用于耦接电源组件的第二极；

开关驱动电路，分别与第五开关管和控制电路藕接，且配置为在第一控制信号的控制下驱动第五开关管导通或断开。

根据本申请的一个实施例，关断器还包括：

供电电路，分别与电源组件、负压驱动电路和开关驱动电路藕接，且配置为利用电源组件的电能为负压驱动电路和开关驱动电路供电。

第二方面，本申请提供了一种电能单元，包括电源组件和根据前述的关断器。

第三方面，本申请提供了一种光伏系统，包括串联的多个根据前述的电能单元，电能单元中的电源组件为光伏组件。

根据本申请的电能单元及光伏系统，通过采用耗尽型开关管作为关断器的旁通回路，其导通压降小，损耗低，且采用负压驱动控制耗尽型开关管关断，在关断器自身损坏(除耗尽型开关管自身损坏)时，负压消失，耗尽型开关管导通，使得关断器在故障时，旁通回路的损耗较低。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本申请实施例提供的关断器的结构示意图之一；

图2是相关技术中的关断器的结构示意图之一；

图3是相关技术中的关断器的结构示意图之二；

图4是相关技术中的关断器的结构示意图之三；

图5是本申请实施例提供的关断器的结构示意图之二；

图6是本申请实施例提供的负压驱动电路的结构示意图之一；

图7是本申请实施例提供的负压驱动电路的结构示意图之二；

图8是本申请实施例提供的负压驱动电路的结构示意图之三；

图9是本申请实施例提供的关断器的结构示意图之三；

图10是本申请实施例提供的光伏系统的结构示意图之一。

附图标记：

关断器100，第一节点A，第二节点B，开关电路110，开关驱动电路111，耗尽型开关管120，控制电路130，控制芯片131，负压驱动电路132，电源电路133，供电电路140，第一至第三电容C1～C3，电阻R，次级绕组N，第一至第二二极管D1～D2，第一至第五开关管Q1～Q5，辅助电源U，稳压管DZ，电源组件200。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

以下描述涉及被“耦接”在一起的元件或部件。正如这里所使用的，“耦接”可能指一个元件/部件直接或间接的结合到(或直接或间接的连通)另一个元件/部件，并且不必是机械的。因此，尽管在此所示的示意图描述了元件的示例性布置，但附加的中间元件、设备、部件或构件仍然可能在一个实际的实施例中存在。

在描述中，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数字描述符在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

另外，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1，本申请的一个实施例提供了一种关断器100。

在本实施方式中，关断器100包括第一节点A、第二节点B、开关电路110、耗尽型开关管120和控制电路130；第二节点B用于耦接电源组件200的第一极；开关电路110的第一端与第一节点A耦接，开关电路110的第二端用于耦接电源组件200的第二极；耗尽型开关管120的漏极与第一节点A耦接，耗尽型开关管120的源极与第二节点B耦接；控制电路130分别与开关电路110和耗尽型开关管120耦接，且配置为控制开关电路110导通或断开，以及控制耗尽型开关管120导通或断开。

在一些实施例中，电源组件200可以为发电组件，如光伏组件等，或者电源组件200可以为储能组件，如电池。电源组件200的第一极为正极，电源组件200的第二极为负极；或者电源组件200的第一极为负极，电源组件200的第二极为正极。

需要说明的是，第一节点A可以作为输出节点，用于向外提供电流，第二节点B可以作为输如节点，用于接入外部电流。当然，第一节点A也可以作为输入节点，第二节点B作为输出节点。

需要说明的是，耗尽型开关管120在没有驱动信号接入时处于导通状态。因此，在关断器100异常(过流，过压，通讯中断)时，控制电路130失效，耗尽型开关管120由于没有驱动信号时导通。由此可以保证关断器100异常时，断开开关电路110，导通耗尽型开关管120。

作为一种示例，在关断器100和电源组件200正常时，开关电路110打开，耗尽型开关管120断开，外部电流从第二节点B进入，经电源组件200和开关电路110，从第一节点A流出。在关断器100或电源组件200异常时，开关电路110断开，耗尽型开关管120导通，外部电流从第二节点B进入，经耗尽型开关管120，从第一节点A流出。

在一些实施例中，耗尽型开关管120可以为耗尽型IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)、耗尽型MOS(metal-oxide semiconductor，金属-氧化物半导体)管或者耗尽型GaN(氮化镓)器件。

在一些实施例中，耗尽型MOS管包括耗尽型MOS管本身和寄生二极管，GaN器件也包括GaN器件本身和寄生二极管。参照图2，在一些相关技术中，采用二极管作为旁通回路。但由于旁通回路的电流较大，二极管的导通压降也较大，因此损耗严重，甚至有着火风险。

参照图3，在一些相关技术中，采用增强型MOS管作为旁通回路。由于MOS的导通压降较小，可以降低损坏。但在关断器100异常时，由于驱动信号消失，增强型MOS断开，旁路电流会通过寄生二极管续流，因此仍然存在损耗大进而着火的风险。

参照图4，在一些相关技术中，采用增强型MOS管作为旁通回路，并利用寄生二极管两端的压降进行升压，再转换成增强型MOS管的驱动电压。虽然在关断器本身故障时，能够导通增强型MOS管，但由于此时驱动电压相较正常情况下的驱动电压较低，使得其导通电阻较大，损耗介于常规驱动的开关管和二极管之间。

根据本申请的关断器100，通过采用耗尽型开关管120作为旁通回路，其导通压降小，损耗低，且采用负压驱动控制耗尽型开关管120关断，在关断器100自身损坏(除耗尽型开关管自身损坏)时，负压消失，耗尽型开关管120导通，使得关断器100在故障时，旁通回路的损耗较低。

参照图5，在一些实施例中，控制电路130包括控制芯片131和负压驱动电路132，控制芯片131配置为提供第一控制信号和第二控制信号，第一控制信号用于驱动开关电路110；负压驱动电路132分别与耗尽型开关管120的源极和栅极耦接，且配置为在第二控制信号的控制下，在源极和所述栅极之间形成电位差，栅极的电位低于源极的电位。

在一些实施例中，第一控制信号可以电压信号，具有高电平状态和低电平状态。第一控制信号为高电平状态时，开关电路110导通；第一控制信号为低电平状态时，开关电路110断开，当然，反之亦可。控制芯片131可以根据控制策略生成第一控制信号。

负压驱动电路142在第二控制信号的控制下在耗尽型开关管120的栅极和源极之间形成负压，从而控制耗尽型开关管120关断；在第二控制信号消失时，负压驱动电路142停止提供负压，从而控制耗尽型开关管120导通。其中，控制芯片131可以根据控制策略停止提供第二控制信号。

参照图6，在一些实施例中，负压驱动电路132包括第一电容C1、电阻R和电源电路133，第一电容C1的第一端与耗尽型开关管120的源极耦接，第一电容C2的第二端与耗尽型开关管120的栅极耦接；电阻R与第一电容C1并联；电源电路133的正极与第一电容C1的第一端耦接，电源电路133的负极与第一电容C1的第二端耦接，电源电路133配置为在接收到第二控制信号时提供电源，并在未接收到第二控制信号时停止提供电源。

可以理解的是，电源电路133在提供电源时为第一电容C1进行充电，第一电容C1上的电压用于驱动耗尽型开关管120。由于第一电容C1的第一端的电位高于第一电容C1的第二端的电位，因此耗尽型开关管120的源极电位高于耗尽型开关管120的栅极电位，耗尽型开关管120关断。

电源电路133在停止提供电源时，第一电容C1通过电阻R进行放电，耗尽型开关管120两端之间的负压消失，耗尽型开关管120导通。

需要说明的是，电源电路133的形式可以根据需求进行设置，利用可以通过对电源组件200的电能进行转换获得，也可以通过内置电源。本实施方式提供了两种电源电路133的结构。

参照图7，图7示出了第一种电源电路133的结构示例。电源电路133包括次级绕组N、第一二极管D1、第二电容C2和第一开关管Q1：次级绕组N与反激电源电路中的初级绕组耦合；第一二极管D1的阴极与次级绕组N的第一端耦接；第二电容C2的第一端与次级绕组N的第二端耦接，第二电容C2的第二端分别与第一二极管D1的阳极和第一电容C1的第二端耦接；第一开关管Q1耦接于第二电容C2的第一端和第一电容C1的第一端之间，且配置为在接收到第二控制信号时导通，并在未接收到第二控制信号时断开。

在本示例中，该反激电源电路用于利用电源组件200的电能为关断器100提供工作电源。反激电源电路通过变压器进行电压转换，其具体结构和原理已有成熟的技术，本实施方式在此不在赘述。

第一二极管D1对次级绕组N产生的电源进行整流，以提供直流电源，第二电容C2的第一端为正极，第二电容C2的第二端为负极。第一开关管Q1导通时，第二电容C2对第一电容C1进行充电，从而为耗尽型开关管120提供负压驱动。第一开关管Q1关断时，第一电容C1通过电阻R进行放电，负压消失，耗尽型开关管120导通。

第一开关管Q1可以为增强型NMOS管，第一开关管Q1的源极与第一电容C1的第一端耦接，第一开关管Q1的漏极与第二电容C2的第一端耦接，第一开关管Q1的栅极接收第二控制信号。第二控制信号可以为高电平信号，第二控制信号施加至第一开关管Q1的栅极时，第一开关管Q1导通；第二控制信号消失时，或者第一开关管Q1的栅极接入低电平信号时，第一开关管Q1关断。

参照图8，图8示出了第二种电源电路133的结构示例。电源电路133包括辅助电源U、第三电容C3、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4和第二二极管D2，第二开关管Q2耦接于辅助电源U的正极和第三电容C3的第一端之间；第三开关管Q3耦接于辅助电源U的负极和第三电容C3的第二端之间；第四开关管Q4耦接于第三电容C3的第一端和第一电容C1的第一端之间；第二二极管D2的阳极与第一电容C1的第二端耦接，第二二极管D2的阴极与第三电容C3的第二端耦接；第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4均在第二控制信号的控制下导通或断开。

在本示例中，电源电路133采用电荷泵结构，第二二极管D2起到整流作用，使第三电容C3的第一端为正极，第三电容C3的第二端为负极。第二开关管Q2和第三开关管Q3导通，第四开关管Q4关断时，辅助电源U为第三电容C3充电；第二开关管Q2和第三开关管Q3断开，第四开关管Q4导通时，第三电容C3为第一电容C1充电。第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4在第二控制信号的控制下高频开关，以维持第一电容C1的电压稳定。

第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4均可以为增强型NMOS管。第二控制信号可以为脉冲信号。在第二控制信号消失后，第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4均关断，耗尽型开关管120上的负压消失，进而导通。

继续参照图6-图8，负压驱动电路142还包括稳压管DZ，稳压管DZ的阴极与第一电容C1的第一端耦接，稳压管DZ的阳极与第一电容C1的第二端耦接。

可以理解的是，在耗尽型开关管120上的负压加大时，稳压管DZ导通进行泄放，从而起到防止负压冲击的作用。

参照图9，在一些实施例中，开关电路110包括第五开关管Q5和开关驱动电路111，第五开关管Q5的第一端与第一节点A耦接，第五开关管Q5的第二端用于耦接电源组件200的第二极；开关驱动电路111分别与第五开关管Q5和控制芯片131藕接，且配置为在第一控制信号的控制下驱动第五开关管Q5导通或断开。

在本实施方式中，第五开关管Q5也可以为增强型NMOS管，第五开关管Q5的源极与第一节点A耦接，第五开关管Q5的漏极用于耦接电源组件200的正极，第五开关管Q5的栅极与开关驱动电路111耦接。

开关驱动电路111在接收到第一控制信号时向第五开关管Q5的栅极时间高电平，使第五开关管Q5导通。控制芯片131输出的第一控制信号电压较低，驱动能力较低，开关驱动电路111通过对第一控制信号进行转换，为第五开关管Q5提供驱动电压。开关驱动电路111的结构和原理已有成熟的技术，本实施方式在此不在赘述。

在一些实施例中，关断器100还包括供电电路140，供电电路140分别与电源组件200、负压驱动电路142和开关驱动电路111藕接，且配置为利用电源组件200的电能为负压驱动电路142和开关驱动电路111供电。

可以理解的是，负压驱动电路142和开关驱动电路111需要电能供应以对第一控制信号和第二控制信号进行转换，从而驱动开关管。供电电路140利用电源组件200的电能进行供电，从而不需要内置电源，减小关断器100的成本。其中，供电电路140可以包括反激电源电路，或者由电源管理芯片组成的电源电路。

本申请的一个实施例还提供了一种电能单元，包括电源组件200和根据前述的关断器100。关断器100的具体结构和原理可以参照前述实施例，本实施方式在此不在赘述。

根据本申请的电能单元，通过采用耗尽型开关管120作为旁通回路，其导通压降小，损耗低，且采用负压驱动控制耗尽型开关管120关断，在关断器100自身损坏(除耗尽型开关管自身损坏)时，负压消失，耗尽型开关管120导通，使得关断器100在故障时，旁通回路的损耗较低。当然，电能单元还可以采用上述各实施例中的技术方案，其也具有相应的技术效果。

参照图10，本申请的一个实施例还提供了一种光伏系统，包括串联的多个根据前述的电能单元，电能单元中的电源组件200为光伏组件。

在本实施方式中，每一级中的光伏组件和关断器100并联，每一级的电能单元串联中。在任一级的光伏组件或者关断器100异常时，关断器100中由耗尽型开关管120形成的旁通回路导通。

根据本申请的光伏系统，通过采用耗尽型开关管120作为旁通回路，其导通压降小，损耗低，且采用负压驱动控制耗尽型开关管120关断，在关断器100自身损坏(除耗尽型开关管自身损坏)时，负压消失，耗尽型开关管120导通，使得关断器100在故障时，旁通回路的损耗较低。当然，光伏系统还可以采用上述各实施例中的技术方案，其也具有相应的技术效果。

尽管已经示出和描述了本申请的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种关断器，其特征在于，包括：

第一节点；

第二节点，用于耦接电源组件的第一极；

开关电路，所述开关电路的第一端与所述第一节点耦接，所述开关电路的第二端用于耦接电源组件的第二极；

耗尽型开关管，所述耗尽型开关管的漏极与所述第一节点耦接，所述耗尽型开关管的源极与所述第二节点耦接；

控制电路，分别与所述开关电路和所述耗尽型开关管耦接，且配置为控制所述开关电路导通或断开，以及控制所述耗尽型开关管导通或断开。

2.根据权利要求1所述的关断器，其特征在于，所述控制电路包括：

控制芯片，配置为提供第一控制信号和第二控制信号，所述第一控制信号用于驱动所述开关电路；

负压驱动电路，分别与所述耗尽型开关管的源极和栅极耦接，且配置为在第二控制信号的控制下，在所述源极和所述栅极之间形成电位差，所述栅极的电位低于所述源极的电位。

3.根据权利要求2所述的关断器，其特征在于，所述负压驱动电路包括：

第一电容，所述第一电容的第一端与所述耗尽型开关管的源极耦接，所述第一电容的第二端与所述耗尽型开关管的栅极耦接；

电阻，与所述第一电容并联；

电源电路，所述电源电路的正极与所述第一电容的第一端耦接，所述电源电路的负极与所述第一电容的第二端耦接，所述电源电路配置为在接收到所述第二控制信号时提供电源，并在未接收到所述第二控制信号时停止提供电源。

4.根据权利要求3所述的关断器，其特征在于，所述关断器还包括反激电源电路，用于利用所述电源组件的电能提供辅助电源；所述电源电路包括：

次级绕组，与所述反激电源电路中的初级绕组耦合；

第一二极管，所述第一二极管的阴极与所述次级绕组的第一端耦接；

第二电容，所述第二电容的第一端与所述次级绕组的第二端耦接，所述第二电容的第二端分别与所述第一二极管的阳极和所述第一电容的第二端耦接；

第一开关管，耦接于所述第二电容的第一端和所述第一电容的第一端之间，且配置为在接收到所述第二控制信号时导通，并在未接收到所述第二控制信号时断开。

5.根据权利要求3所述的关断器，其特征在于，所述电源电路包括：

辅助电源和第三电容；

第二开关管，耦接于所述辅助电源的正极和所述第三电容的第一端之间；

第三开关管，耦接于所述辅助电源的负极和所述第三电容的第二端之间；

第四开关管，耦接于所述第三电容的第一端和所述第一电容的第一端之间；

第二二极管，所述第二二极管的阳极与所述第一电容的第二端耦接，所述第二二极管的阴极与所述第三电容的第二端耦接；

所述第二开关管、第三开关管和所述第四开关管均在所述第二控制信号的控制下导通或断开。

6.根据权利要求3所述的关断器，其特征在于，所述负压驱动电路还包括：

稳压管，所述稳压管的阴极与所述第一电容的第一端耦接，所述稳压管的阳极与所述第一电容的第二端耦接。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的关断器，其特征在于，所述耗尽型开关管为耗尽型IGBT管、耗尽型MOS管或者耗尽型GaN器件。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的关断器，其特征在于，所述开关电路包括：

第五开关管，所述第五开关管的第一端与所述第一节点耦接，所述第五开关管的第二端用于耦接电源组件的第二极；

开关驱动电路，分别与所述第五开关管和所述控制电路藕接，且配置为在第一控制信号的控制下驱动所述第五开关管导通或断开。

9.根据权利要求8所述的关断器，其特征在于，所述控制电路包括负压驱动电路，所述关断器还包括：

供电电路，分别与所述电源组件、所述负压驱动电路和所述开关驱动电路藕接，且配置为利用所述电源组件的电能为所述负压驱动电路和所述开关驱动电路供电。

10.一种电能单元，其特征在于，包括电源组件和根据权利要求1-9中任一项所述的关断器。

11.一种光伏系统，其特征在于，包括串联的多个根据权利要求10所述电能单元，所述电能单元中的电源组件为光伏组件。