CN114629098A - 基于分段式无间隙避雷器的固态开关及其利用率提升方法 - Google Patents

基于分段式无间隙避雷器的固态开关及其利用率提升方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于高效率固态开关领域，具体涉及了一种基于分段式无间隙避雷器的固态开关及其利用率提升方法，旨在解决如何在低成本的前提下，通过无间隙避雷器实现器件利用率提升的问题。本发明包括：由半导体组件T0构成的主支路，实现两侧***电流流通；由避雷器MOV1、避雷器MOV2和半导体组件S1构成的能量吸收支路，避雷器MOV1和避雷器MOV2串联，半导体组件S1并联于避雷器MOV1的两端，能量吸收支路用于吸收***故障时的故障电流及能量；缓冲支路缓冲半导体组件在开关时受到的电压电流应力。本发明在仅需增加极少的体积和成本的前提下，有效提升了固态开关的主支路器件的电压利用率，保证了固态开关的场景寿命。

Description

基于分段式无间隙避雷器的固态开关及其利用率提升方法
技术领域
本发明属于高效率固态开关领域，具体涉及了一种基于分段式无间隙避雷器的固态开关及其利用率提升方法。
背景技术
机械开关由于开断时存在电弧、特性不一致、开断速度慢、寿命短等缺点，不适用于未来智能电网，而基于大功率电力电子器件构成的固态断路器(SSCB，Solid StateCircuit Breaker)具有开断速度快(微秒级)、开关时间可精确控制、开断时无电弧产生等优点，是直流故障开断的未来趋势。目前，基于不同半导体器件实现的固态断路器方案都已经过了大量研究且部分得以应用。
如图1所示，为避雷器的特性曲线图，Vres代表避雷器的瞬态最大电压，Vclamp代表避雷器的钳位电压，Vref代表避雷器的参考电压，Vrat代表避雷器的***额定电压，Smallcurrent area为电流截止区域，Voltage limiting area代表电压钳位区域，Overloadarea代表击穿区域，器件的利用率较低在于两点：第一，通常器件的最高电压大于避雷器的Vres，当器件关断时，故障电流最大值流过避雷器，使得避雷器瞬间电压较高，虽然通过避雷器并联可以在一定程度上改善单个避雷器的瞬时最大电压值，但是增加避雷器会导致成本和体积显著增加；第二，固态开关所在***的电压VDC＝Vrat，而Vrat需要小于Vref的(50％～90％)，否则，器件关断时，***电压VDC加在避雷器上，会影响避雷器的寿命，并且静态时漏电流较大。因此，避雷器的非线性特征导致固态断路器中的器件利用率普遍不高，通常只有40％-50％。比如，4.5kV的器件，通常用于2kV电压等级的直流电网中，而面向1kV/1MW的应用场景，则需要采用2.5kV的器件。
一些技术通过采用其他方法改善避雷器(MOV)的特性曲线，主要包括：(1)采用瞬态电压抑制(TVS)二极管替代MOV，但是这个技术方案成本特别高昂；(2)通过并联多个MOV，使得单个MOV的最大电流减小，从而减小Vres的值，这个方法成倍增加了***的体积和成本；(3)通过有间隙避雷器和无间隙避雷器串联混合使用[1]改善避雷器(MOV)的特性曲线，但是有间隙避雷器体积较大，另外特性离散，寿命不确定。
以下文献是与本发明相关的技术背景资料：
[1]张翔宇、刘珂鑫、齐磊、马慧远，高压固态半导体开关器件及提高该电压利用率方法和应用，2021-08-24，CN113783173A。
发明内容
为了解决现有技术中的上述问题，即如何在低成本的前提下，通过无间隙避雷器实现器件利用率提升的问题，本发明提供了一种基于分段式无间隙避雷器的固态开关，该固态开关包括主支路、能量吸收支路和缓冲支路；
所述主支路包括半导体组件T0，用于实现主支路两侧的***中的电流流通；
所述能量吸收支路包括避雷器MOV1、避雷器MOV2和半导体组件S1，用于吸收***故障时的故障电流及能量；
所述缓冲支路用于缓冲半导体组件在开关时受到的电压电流应力。
在一些优选的实施例中，所述固态开关，其连接关系为：
所述半导体组件T0的第一连接端连接至连接点a，所述半导体组件T0的第二连接端连接至连接点b；
所述避雷器MOV1的第一连接端和所述半导体组件S1的第一连接端连接至连接点a，所述避雷器MOV1的第二连接端、所述半导体组件S1的第二连接端和所述避雷器MOV2的第一连接端连接至连接点c，所述避雷器MOV2的第二连接端连接至连接点b；
所述缓冲支路的第一连接端连接至连接点a，所述缓冲支路的第二连接端连接至连接点b。
在一些优选的实施例中，所述半导体组件T0为由一个及以上的半控型器件或全控型器件串联组成的单向拓扑结构，或由一个及以上的半控型器件组或全控型器件组串联组成的双向拓扑结构；
所述半控型器件组由两个半控型器件反向并联组成，所述全控型器件组由两个全控型器件反向串联组成。
在一些优选的实施例中，当所述半导体组件T0为单向拓扑结构时，所述半导体组件S1为由一个及以上的半控型器件或全控型器件串联组成的单向拓扑结构；当所述半导体组件T0为双向拓扑结构时，所述半导体组件S1为由一个及以上的半控型器件组或全控型器件组串联组成的双向拓扑结构；
所述半控型器件组由两个半控型器件反向并联组成，所述全控型器件组由两个全控型器件反向串联组成。
在一些优选的实施例中，所述缓冲支路为电容缓冲电路C、或电容电阻串联缓冲电路RC、或电阻电容二极管缓冲电路RCD。
本发明的另一方面，提出了一种基于分段式无间隙避雷器的固态开关的半导体器件利用率提升方法，基于上述的基于分段式无间隙避雷器的固态开关，该方法包括：
步骤S10，主支路的半导体组件T0处于关断稳态，半导体组件S1处于关断状态时，漏电流流过避雷器MOV1和避雷器MOV2，避雷器MOV1与避雷器MOV2共同承受***施加在器件两端的电压；
步骤S20，当主支路的半导体组件T0导通时，导通电流直接流过半导体组件T0，整个固态开关不承受***电压；
步骤S30，当主支路的半导体组件T0需要由导通状态转为关断状态暂态时，开通半导体组件S1后，关断半导体组件T0，导通电流流过半导体组件S1和避雷器MOV1；
步骤S40，避雷器MOV1两端电压快速上升，并吸收***电感上的电流能量，避雷器MOV1电流下降；
步骤S50，当避雷器MOV1电流下降为0时，半导体组件S1关闭，半导体组件T0恢复关断稳态，避雷器MOV1与避雷器MOV2共同承受***施加在器件两端的电压。
在一些优选的实施例中，若半导体组件S1为半控型器件，则避雷器MOV1电流下降为0时，半导体组件S1自动关闭；若半导体组件S1为全控型器件，则半导体组件S1在控制电路的控制下关闭。
本发明的第三方面，提出了一种设备，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于分段式无间隙避雷器的固态开关的半导体器件利用率提升方法。
本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于分段式无间隙避雷器的固态开关的半导体器件利用率提升方法。
本发明的有益效果：
(1)本发明基于分段式无间隙避雷器的固态开关，为避免有间隙避雷器特性离散、体积大，用于固态开关场景寿命不明确的缺点，采用了无间隙避雷器，在仅需增加极少的体积和成本的前提下，有效提升了固态开关的主支路器件的电压利用率，保证了固态开关的场景寿命。
(2)本发明基于分段式无间隙避雷器的固态开关，在主支路半导体组件T0关断稳态时，能量吸收支路的避雷器MOV1和避雷器MOV2共同承压，在主支路半导体组件T0暂态时，仅由能量吸收支路的避雷器MOV1吸收***电感残余能量，使暂态峰值电压与稳态电压的比值更低，从而主支路器件电压利用率更高。
(3)本发明基于分段式无间隙避雷器的固态开关，能量吸收支路的避雷器MOV2只承压，不吸收能量，体积可以非常小。与主支路半导体组件T0相比，能量吸收支路的半导体组件S1耐压低，只需短时流过大电流，无需散热装置，对损耗也没有要求，体积小、成本低。相比传统的基于单个避雷器MOV1的固态开关，本申请仅需增加体积较小、成本较低的与避雷器MOV1串联的避雷器MOV2，同时在避雷器MOV1上并联半导体组件，控制避雷器MOV1和避雷器MOV2在***不同阶段单独或协同工作，在体积小、成本低的前提下，有效提升了固态开关的主支路器件的电压利用率。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是避雷器的特性曲线图；
图2是本发明基于分段式无间隙避雷器的固态开关的结构示意图；
图3是本发明基于分段式无间隙避雷器的固态开关一种实施例的几种双向固态开关结构示意图；
图4是本发明基于分段式无间隙避雷器的固态开关一种实施例的多器件串联及混联的固态开关结构示意图；
图5是本发明基于分段式无间隙避雷器的固态开关一种实施例的本发明与传统技术的半导体器件利用率提升方法对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明的一种基于分段式无间隙避雷器的固态开关，该固态开关包括主支路、能量吸收支路和缓冲支路；
所述主支路包括半导体组件T0，用于实现主支路两侧的***中的电流流通；
所述能量吸收支路包括避雷器MOV1、避雷器MOV2和半导体组件S1，用于吸收***故障时的故障电流及能量；
所述缓冲支路用于缓冲半导体组件在开关时受到的电压电流应力。
为了更清晰地对本发明基于分段式无间隙避雷器的固态开关进行说明，下面结合图2对本发明实施例中各模块展开详述。
本发明第一实施例的基于分段式无间隙避雷器的固态开关，包括主支路、能量吸收支路和缓冲支路，各模块详细描述如下：
主支路包括半导体组件T0，用于实现主支路两侧的***中的电流流通。
半导体组件T0的第一连接端连接至连接点a，半导体组件T0的第二连接端连接至连接点b。
半导体组件T0为由一个及以上的半控型器件或全控型器件串联组成的单向拓扑结构，或由一个及以上的半控型器件组或全控型器件组串联组成的双向拓扑结构。
能量吸收支路包括避雷器MOV1、避雷器MOV2和半导体组件S1，用于吸收***故障时的故障电流及能量。
避雷器MOV1的第一连接端和半导体组件S1的第一连接端连接至连接点a，避雷器MOV1的第二连接端、半导体组件S1的第二连接端和避雷器MOV2的第一连接端连接至连接点c，避雷器MOV2的第二连接端连接至连接点b。
当半导体组件T0为单向拓扑结构时，半导体组件S1为由一个及以上的半控型器件或全控型器件串联组成的单向拓扑结构；当半导体组件T0为双向拓扑结构时，半导体组件S1为由一个及以上的半控型器件组或全控型器件组串联组成的双向拓扑结构。
图2中示出的是半导体组件T0和半导体组件S1为单向拓扑结构时的固态开关结构示意图，如图3所示，为本发明基于分段式无间隙避雷器的固态开关一种实施例的几种双向固态开关结构示意图，图3(a)中S11和S12反向并联构成半导体组件S1，T01和T02反向串联构成半导体组件T0，而T01和T02分别由一个IGBT及其反并联的二极管构成，图3(b)中S11和S12反向并联构成半导体组件S1，T01和T02反向并联构成半导体组件T0，图3(c)和图3(d)分别给出了两种可以作为半导体组件T0或半导体组件S1的结构。在其他实施例中，也可以根据需要调整半导体组件为其他的结构，本发明在此不一一详述。
半导体组件T0和半导体组件S1中的半控型器件组由两个半控型器件反向并联组成，全控型器件组由两个全控型器件反向串联组成。
缓冲支路用于缓冲半导体组件在开关时受到的电压电流应力。
缓冲支路的第一连接端连接至连接点a，缓冲支路的第二连接端连接至连接点b。
缓冲支路为电容缓冲电路C、或电容电阻串联缓冲电路RC、或电阻电容二极管缓冲电路RCD。
半导体组件T0和半导体组件S1，除了上述的单向拓扑结构和双向拓扑结构以外，还可以选用多个器件串联的混合拓扑结构。
如图4所示，为本发明基于分段式无间隙避雷器的固态开关一种实施例的多器件串联及混联的固态开关结构示意图，半导体组件S1由S11、S12、…、S1n串联构成，以S11为例说明，其结构为S111和S121反向并联，以此类推S12、…、S1n的结构，半导体组件T0由T01、…、T0n、T0x串联构成，以T01为例说明，其结构为T011和T021反向并联，以此类推T02、…、T0n的结构，而T0x则由T0x1和T0x2反向串联构成，T0x1和T0x2分别由一个IGBT及其反并联的二极管构成。在其他实施例中，也可以根据需要调整半导体组件为其他的结构，本发明在此不一一详述。
本发明第二实施例的基于分段式无间隙避雷器的固态开关的半导体器件利用率提升方法，如图5所示，为本发明基于分段式无间隙避雷器的固态开关一种实施例的本发明与传统技术的半导体器件利用率提升方法对比图，基于上述的基于分段式无间隙避雷器的固态开关，该方法包括：
步骤S10，主支路的半导体组件T0处于关断稳态，半导体组件S1处于关断状态时，漏电流流过避雷器MOV1和避雷器MOV2，避雷器MOV1与避雷器MOV2共同承受***施加在器件两端的电压；
步骤S20，当主支路的半导体组件T0导通时，导通电流直接流过半导体组件T0，整个固态开关不承受***电压；
步骤S30，当主支路的半导体组件T0需要由导通状态转为关断状态暂态时，开通半导体组件S1后，关断半导体组件T0，导通电流流过半导体组件S1和避雷器MOV1；
步骤S40，避雷器MOV1两端电压快速上升，并吸收***电感上的电流能量，避雷器MOV1电流下降；
步骤S50，当避雷器MOV1电流下降为0时，半导体组件S1关闭，半导体组件T0恢复关断稳态，避雷器MOV1与避雷器MOV2共同承受***施加在器件两端的电压。
其中，当避雷器MOV1电流下降为0时，半导体组件S1的状态根据其器件类型，采用不同的控制方法：
若半导体组件S1为半控型器件，则避雷器MOV1电流下降为0时，半导体组件S1自动关闭；若半导体组件S1为全控型器件，则半导体组件S1在控制电路的控制下关闭。
对比图5中的MOV的特性曲线可以看出，在暂态峰值电压(VMAX)相同的情况下，本发明方案与传统方案需要使用相同的MOV1，但当***处于关断稳态时，本发明方案的***电压由MOV1和MOV2共同承担(VMOV1+VMOV2)，远大于传统方案的***电压VDC，比原本VDC/VMAX的比值增加了很多，进而提升了器件的利用率，并且避雷器MOV2只承压，不吸收能量，体积可以非常小，成本低。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述***实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的基于分段式无间隙避雷器的固态开关及其利用率提升方法，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
本发明第三实施例的一种设备，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的基于分段式无间隙避雷器的固态开关的半导体器件利用率提升方法。
本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的基于分段式无间隙避雷器的固态开关的半导体器件利用率提升方法。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于分段式无间隙避雷器的固态开关，其特征在于，该固态开关包括主支路、能量吸收支路和缓冲支路；
所述主支路包括半导体组件T0，用于实现主支路两侧的***中的电流流通；
所述能量吸收支路包括避雷器MOV1、避雷器MOV2和半导体组件S1，用于吸收***故障时的故障电流及能量；
所述缓冲支路用于缓冲半导体组件在开关时受到的电压电流应力。
2.根据权利要求1所述的基于分段式无间隙避雷器的固态开关，其特征在于，所述固态开关，其连接关系为：
所述半导体组件T0的第一连接端连接至连接点a，所述半导体组件T0的第二连接端连接至连接点b；
所述避雷器MOV1的第一连接端和所述半导体组件S1的第一连接端连接至连接点a，所述避雷器MOV1的第二连接端、所述半导体组件S1的第二连接端和所述避雷器MOV2的第一连接端连接至连接点c，所述避雷器MOV2的第二连接端连接至连接点b；
所述缓冲支路的第一连接端连接至连接点a，所述缓冲支路的第二连接端连接至连接点b。
3.根据权利要求1或2所述的基于分段式无间隙避雷器的固态开关，其特征在于，所述半导体组件T0为由一个及以上的半控型器件或全控型器件串联组成的单向拓扑结构，或由一个及以上的半控型器件组或全控型器件组串联组成的双向拓扑结构；
所述半控型器件组由两个半控型器件反向并联组成，所述全控型器件组由两个全控型器件反向串联组成。
4.根据权利要求3所述的基于分段式无间隙避雷器的固态开关，其特征在于，当所述半导体组件T0为单向拓扑结构时，所述半导体组件S1为由一个及以上的半控型器件或全控型器件串联组成的单向拓扑结构；当所述半导体组件T0为双向拓扑结构时，所述半导体组件S1为由一个及以上的半控型器件组或全控型器件组串联组成的双向拓扑结构；
所述半控型器件组由两个半控型器件反向并联组成，所述全控型器件组由两个全控型器件反向串联组成。
5.根据权利要求1或2所述的基于分段式无间隙避雷器的固态开关，其特征在于，所述缓冲支路为电容缓冲电路C、或电容电阻串联缓冲电路RC、或电阻电容二极管缓冲电路RCD。
6.一种基于分段式无间隙避雷器的固态开关的半导体器件利用率提升方法，其特征在于，基于权利要求1-5任一项所述的基于分段式无间隙避雷器的固态开关，该方法包括：
步骤S10，主支路的半导体组件T0处于关断稳态，半导体组件S1处于关断状态时，漏电流流过避雷器MOV1和避雷器MOV2，避雷器MOV1与避雷器MOV2共同承受***施加在器件两端的电压；
步骤S20，当主支路的半导体组件T0导通时，导通电流直接流过半导体组件T0，整个固态开关不承受***电压；
步骤S30，当主支路的半导体组件T0需要由导通状态转为关断状态暂态时，开通半导体组件S1后，关断半导体组件T0，导通电流流过半导体组件S1和避雷器MOV1；
步骤S40，避雷器MOV1两端电压快速上升，并吸收***电感上的电流能量，避雷器MOV1电流下降；
步骤S50，当避雷器MOV1电流下降为0时，半导体组件S1关闭，半导体组件T0恢复关断稳态，避雷器MOV1与避雷器MOV2共同承受***施加在器件两端的电压。
7.根据权利要求6所述的基于分段式无间隙避雷器的固态开关的半导体器件利用率提升方法，其特征在于，若半导体组件S1为半控型器件，则避雷器MOV1电流下降为0时，半导体组件S1自动关闭；若半导体组件S1为全控型器件，则半导体组件S1在控制电路的控制下关闭。
8.一种设备，其特征在于，包括：
至少一个处理器；以及
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现权利要求6-7任一项所述的基于分段式无间隙避雷器的固态开关的半导体器件利用率提升方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现权利要求6-7任一项所述的基于分段式无间隙避雷器的固态开关的半导体器件利用率提升方法。
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