CN107171292B - 一种基于SiC MOSFET直流固态断路器抑制关断过电压的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于SiC MOSFET直流固态断路器抑制关断过电压的装置，属于直流固态断路器技术领域，该装置包含直流固态断路器，还包括电流检测***、驱动***、功率半导体固态开关器件、缓冲电路支路和能量吸收支路，缓冲电路支路由压敏电阻构成，用于抑制直流固态断路器关断初期的过电压；能量吸收支路也由压敏电阻构成，用于吸收直流***寄生电感的能量。通过缓冲电路部分和能量吸收部分的合理配置，可以显著抑制SiC MOSFET直流固态断路器关断初期的过电压。本发明提供的基于SiC MOSFET直流固态断路器抑制关断过电压的装置，简单有效且能够提高直流固态断路器的可靠性。

Description

一种基于SiC MOSFET直流固态断路器抑制关断过电压的装置

技术领域

本发明属于直流固态断路器技术领域，涉及一种基于SiC MOSFET直流固态断路器抑制关断过电压的装置。

背景技术

直流固态断路器要求能迅速隔离和清除故障，是直流***不可或缺的设备之一。随着碳化硅(Silicon Carbide,SiC)技术的不断进步，由碳化硅金属氧化物场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor,SiC MOSFET)构成的直流固态断路器因其开关速度快，导通损耗低，且能工作在较高环境温度下，近年来在配电网应用中受到关注。然而，相比Si 器件，SiC MOSFET关断速度快，高达几十ns，很容易导致较大的瞬时电压尖峰，因此，如何抑制SiC MOSFET关断过程中的电压振荡，降低峰值电压，对于直流固态断路器以及直流***的安全可靠运行具有重要意义。目前常用的电阻-电容(resistance capacitance,RC)和电阻- 电容-二极管(resistance capacitance diode,RCD)缓冲电路的方法参数的选择与匹配需考虑多种因素，在实际使用过程中存在一定的难度；而采用增加栅极驱动电阻的方法，延长了关断时间，增加了断路器损耗，牺牲掉了SiCMOSFET的优势，还可能由于关断时间过长导致功率器件的PN结过热，损坏器件；采用di/dt控制电路的方法，实现过于复杂，元器件太多，可靠性也会受到一定程度的影响。因此，为了解决SiC MOSFET用于直流固态断路器易出现的关断初期电压过冲问题，急需一种简单且有效的一种方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于SiC MOSFET直流固态断路器抑制关断过电压的装置，从而有效实现基于SiC MOSFET直流固态断路器关断初期过电压的抑制，有利于提高直流固态断路器的可靠性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于SiC MOSFET直流固态断路器抑制关断过电压的装置，包含直流固态断路器，所述直流固态断路器还包括电流检测***、驱动***和功率半导体固态开关器件；所述功率半导体固态开关器件设置在主电路中用于主电路的分合，所述电流检测***用于检测所述直流固态断路器的主电路电流，所述驱动***接收来自电流检测***的信号，并控制所述功率半导体固态开关器件的分合；

所述电流检测***用于检测电路是否发生故障和确定断路器关断时刻；

所述驱动***用于控制直流固态断路器正常工作和分断；

所述功率半导体固态开关器件用于维持直流***正常工作和故障时切断故障电流保证直流***安全；

所述直流固态断路器还包括缓冲电路支路和能量吸收支路，所述缓冲电路支路为由压敏电阻构成的缓冲电路，用于抑制所述直流固态断路器关断初期的过电压；

所述能量吸收支路为由压敏电阻构成的能量吸收电路，用于吸收直流***寄生电感的能量。

进一步，所述压敏电阻构成的缓冲电路和所述压敏电阻构成的能量吸收电路按照公式：

进行配置，式中，a表示压敏电阻构成的缓冲电路和压敏电阻构成的能量吸收电路的额定电压比率，U_{MOV_in}表示压敏电阻构成的缓冲电路的额定电压，U_{MOV_ex}表示压敏电阻构成的能量吸收电路的额定电压。

本发明的有益效果在于：本发明通过使用压敏电阻作为缓冲电路，实现压敏电阻吸收能量和抑制过电压功能的分离，其中缓冲电路压敏电阻用于抑制直流固态断路器关断初期的过电压，而能量吸收压敏电阻，用于吸收直流***寄生电感的能量，降低了对压敏电阻的要求，通过合理配置缓冲电路部分中的压敏电阻和能量吸收部分的压敏电阻的额定电压比率，能有效实现基于SiC MOSFET直流固态断路器关断初期过电压的抑制，有利于提高直流固态断路器的可靠性。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本申请中的抑制SiC MOSFET直流固态断路器过电压方法的示意图；

图2为本方法的原理图；

图3、图4为采用本方法的效果仿真图；

图5、图6为a不同时直流固态断路器电压和吸收能量效果图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本申请中的抑制SiC MOSFET直流固态断路器过电压方法的示意图；

本发明实施例的基于SiC MOSFET直流固态断路器抑制关断过电压的装置包含直流固态断路器集成故障电流检测电路、逻辑判断处理电路和驱动电路的驱动***，以及作为固态开关的功率半导体器件，功率半导体固态开关器件设置在主电路中用于主电路的分合，电流检测***用于检测直流固态断路器的主电路电流，逻辑判断处理电路对电流检测电路输出的信号进行判断，驱动***接收来自电流检测***的信号，并控制功率半导体固态开关器件的分合，其中：

故障电流检测电路，用于判断故障电流达到某一个设定的阈值，以确定断路器关断时刻；

逻辑判断处理电路，用于对故障电流检测电路输出的信号进行判断，在发生故障时将脉冲控制信号及时切断，保证器件和电路不受损害；

驱动电路，用于控制直流固态断路器正常工作和分断。

固态开关，用于维持直流***正常工作，及故障时切断故障电流保证直流***安全。

本发明的还包括缓冲电路部分和能量吸收部分，其中：

缓冲电路部分，由压敏电阻(Metal Oxide Varistor，MOV)构成，用于抑制直流固态断路器关断初期的过电压；

能量吸收部分，也由MOV构成，用于吸收直流***寄生电感的能量。

缓冲电路部分中的MOV和能量吸收部分的MOV按照下述公式进行配置：

式中，a表示压敏电阻构成的缓冲电路和压敏电阻构成的能量吸收电路的额定电压比率， U_{MOV_in}表示压敏电阻构成的缓冲电路的额定电压，U_{MOV_ex}表示压敏电阻构成的能量吸收电路的额定电压。

本发明的缓冲电路部分，不吸收或者仅仅吸收一部分能量，用于抑制直流固态断路器关断初期的过电压；

本发明的能量吸收部分，吸收***绝大部分能量；

缓冲电路部分和能量吸收部分MOV额定电压的比率还且应尽量避免断路器电压出现振荡。

为了进一步说明本方法的原理，如图2所示：

由于MOV_{_in}靠近SiC MOSFET，寄生电感L′_st相对于外环L_st较小，t₁时刻故障电流首先向MOV_{_in}支路转移，电流I_{MOV_in}先是缓慢增加，接着快速上升，达到其峰值，然后减小，如图2中[t₁,t₃]阶段。

在[t₂,t₃]阶段，MOV_{_in}支路电流还会向MOV_{_ex}支路转移，不过，电流I_{MOV_ex}增加的速度要小一些，这主要是因为外环、内环MOV存在电压差所致。当电流I_{MOV_in}衰减到零的时候，电压U_switch衰减到接近MOV_{_ex}电压U_{MOV_ex}的水平，此时I_breake转移过程还未结束，电流只向MOV_{_ex}支路转移。当I_switch减小到零的时候，I_{MOV_ex}达到最大值，I_breake转移过程结束， U_switch达到U_{MOV_ex}水平，此时，MOV_{_ex}开始吸收能量，I_breaker开始衰减，一定时间之后，I_breaker衰减至零，断路器结束工作，故障电流被清除。

在断路器动作过程中，MOV_{_in}支路有电流流过的时间很短，且只流过了很少一部分电流， MOV_{_in}吸收的能量很小，绝大部分能量被MOV_{_ex}吸收，但固态断路器的峰值电压由MOV_{_in}的伏安特性决定。

为了对比直流固态断路器采用本方法的效果，如图3、图4所示。对比采用和未采用本方法的仿真波形可知：

在相同的仿真条件下(直流电压为360V，能量吸收MOV为K385(即最大持续直流工作电压385V)，寄生电感L_st为6μH，关断电流为11.5A)，未采用本方法时，直流固态断路器关断初期的过电压峰值为1130V，而采用了本方法时，直流固态断路器关断初期的过电压峰值为850V，与缓冲电路MOV的电压峰值840V比较接近，关断初期的电压峰值减小了380 V，电压振荡也得到了显著抑制。

最后，根据下述公式确定缓冲电路MOV额定电压：

式中，a表示压敏电阻构成的缓冲电路和压敏电阻构成的能量吸收电路的额定电压比率， U_{MOV_in}表示压敏电阻构成的缓冲电路的额定电压，U_{MOV_ex}表示压敏电阻构成的能量吸收电路的额定电压。

根据上述公式，在能量吸收MOV为K385，而缓冲电路MOV分别为K385、K420、K505、K560、K585、K615、K670时，缓冲电路MOV吸收能量百分比和断路器峰值电压，以及断路器电压，如图5、图6所示：

1)1≤a≤1.2时，缓冲MOV吸收能量随a的增加迅速减少，当a>1.2时，缓冲MOV吸收能量随a的增加缓慢减少，a＝1.4之后，缓冲MOV吸收能量已非常小，变化不明显，可以认为全部的能量均由能量吸收MOV吸收，拟合曲线近似为指数函数；

2)断路器峰值电压随a的增加先是以一定斜率线性增加，然后达到饱和，缓慢增加，不过所有的峰值电压均比未采用MOV缓冲电路时的1130V要小，拟合曲线近似为二阶多项式函数，当a达到1.45时，断路器电压出现振荡，且随a的增加越来越严重。

3)根据上述分析，在选择缓冲MOV的额定电压时，需要综合考虑其吸收能量、抑制的断路器电压，且应尽量避免断路器电压出现振荡，在本实施方式中，缓冲MOV的额定电压按照1.3＜a＜1.45确定。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (1)

1.一种基于SiC MOSFET直流固态断路器抑制关断过电压的装置，包含直流固态断路器，其特征在于：所述直流固态断路器还包括电流检测***、驱动***和功率半导体固态开关器件；所述功率半导体固态开关器件设置在主电路中用于主电路的分合，所述电流检测***用于检测所述直流固态断路器的主电路电流，所述驱动***接收来自电流检测***的信号，并控制所述功率半导体固态开关器件的分合；

所述电流检测***用于检测电路是否发生故障和确定断路器关断时刻；

所述驱动***用于控制直流固态断路器正常工作和分断；

所述功率半导体固态开关器件用于维持直流***正常工作和故障时切断故障电流保证直流***安全；

所述直流固态断路器还包括缓冲电路支路和能量吸收支路，所述缓冲电路支路和能量吸收支路并联设置于所述直流固态断路器的主电路上；

所述缓冲电路支路为由压敏电阻构成的缓冲电路，用于抑制所述直流固态断路器关断初期的过电压；

所述能量吸收支路为由压敏电阻构成的能量吸收电路，用于吸收直流***寄生电感的能量；

所述压敏电阻构成的缓冲电路和所述压敏电阻构成的能量吸收电路按照公式：

进行配置，式中，a表示压敏电阻构成的缓冲电路和压敏电阻构成的能量吸收电路的额定电压比率，U_{MOV_in}表示压敏电阻构成的缓冲电路的额定电压，U_{MOV_ex}表示压敏电阻构成的能量吸收电路的额定电压。