一种基于SiCMOSFET的固态直流断路器及其控制方法与流程

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种基于SiC MOSFET的固态直流断路器及其控制方法。

背景技术：

在高压直流输电中，高压直流断路器(HVDC breaker)起到切断过载或短路电流的作用，对高压直流输电系统的安全可靠运行起着重要作用。目前，直流断路器分为机械式直流断路器、全固态直流断路器以及机械-固态混合式直流断路器。

近年来，第三代宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)以其相较于传统半导体材料硅(Si)3倍的禁带宽度，3倍的热导率，10倍的临界击穿场强，更高的载流子饱和漂移速度等优点，成为制造功率半导体器件的热门材料。基于SiC材料的功率半导体材料也相继问世，目前，1.2kV、1.7kV的JFET、MOSFET已经商业化，10kV SiC MOSFET,15kV SiC IGBT也已经研制成功，为将来的高压直流断路器应用提供了基础。

在全固态直流断路器以及机械-固态混合式中，由半导体器件级联的固态断路器部分是整个断路器系统的核心。目前，在断路器应用中，为了满足高电压关断能力的要求，需要半导体器件级联使用且器件级联数目较多。多器件级联给高位浮地器件的驱动带来了困难，需要重新设计驱动结构以降低断路器成本，提高断路器可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于SiC MOSFET的固态直流断路器及其控制方法，该断路器及其控制方法成本低，可靠性较高。

为达到上述目的，本发明所述基于SiC MOSFET的固态直流断路器包括SiC直流固态断路器、第一功率端子、第二功率端子、混合开关及控制系统，SiC直流固态断路器包括阻尼支路、换流支路及高压SiC MOSFET开关，第一功率端子依次经阻尼支路、高压SiC MOSFET开关及换流支路与第二功率端子相连接，混合开关的两端分别与第一功率端子及第二功率端子相连接，控制系统的输出端与换流支路的控制端及混合开关的控制端相连接；

所述高压SiC MOSFET开关包括门极驱动器、n个电阻、n个电容及n个第一MOS管；

门极驱动器的控制端与控制系统相连接，门极驱动器输出端的负极与第一个电容、换流支路、第一个第一MOS管的源极及第一个电阻相连接，各电阻依次串联连接，各电容依次串联连接，阻尼支路与第n个电容、第n个电阻及第n个第一MOS管的漏极相连接，前一个第一MOS管的漏极与后一个第一MOS管的源极相连接，第i个电容与第i-1个电容之间的线路与第i个第一MOS管的栅极相连接，第一个第一MOS管的栅极与门极驱动器输出端的正极相连接，其中，2≤i≤n，n为大于等于2的正整数。

SiC直流固态断路器还包括能量吸收系统，其中，能量吸收系统的两端分别与高压SiC MOSFET开关的两端相连接。

混合开关包括机械开关及第二MOS管，其中，机械开关的一端与第一功率端子相连接，机械开关的另一端与第二MOS管的漏极相连接，第二MOS管的源极与第二功率端子相连接，第二MOS管的栅极与控制系统的输出端相连接。

能量吸收系统为避雷器。

阻尼支路为阻尼电阻。

换流支路为第三MOS管，其中，第三MOS管的漏极与高压SiC MOSFET开关相连接，第三MOS管的源极与第二功率端子相连接，第三MOS管的栅极与控制系统相连接。

本发明所述的基于SiC MOSFET的固态直流断路器的控制方法，将第一功率端子与第二功率端子与线路或者设备相连接，包括以下步骤：

当线路或设备处于正常工作状态时，控制系统控制换流支路断开，并控制混合开关导通，电流流过混合开关；当线路或设备发生短路故障时，控制系统控制换流支路导通，再控制混合开关断开，电流依次流经阻尼支路、高压SiC MOSFET开关及换流支路，待电流完全转移完成后，关断混合开关承受SiC直流固态断路器导通压降的直流电压，然后控制系统控制高压SiC MOSFET开关关断，短路能量被能量吸收系统吸收，通过阻尼支路防止高压SiC MOSFET开关关断过程中的电压震荡，当高压SiC MOSFET开关完全关断后，短路故障被切除，高压SiC MOSFET开关承受直流母线电压。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于SiC MOSFET的固态直流断路器及其控制方法在具体操作时，第一MOS管的驱动不再是传统技术中每个器件都需要专用的驱动器的驱动形式，而是采用电容耦合方式驱动，其中，第一个电容作为第二个第一MOS管的驱动电容，第n-1个电容作为第n个第一MOS管的驱动电容。同时，各电容还起着瞬态均压作用，第一个电容作为第一个第一MOS管的瞬态均压电容，第n个电容作为第n个第一MOS管的瞬态均压电容；各第一MOS管的静态均压由静态均压电阻实现，第一MOS管不再需要传统的RCD缓冲电路便可实现动静态均压，使得断路器的成本大大降低，可靠性得到大幅提高。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为发明中高压SiC MOSFET开关2的电路图；

图3为本发明中混合开关5的电路图。

其中，1为阻尼支路、2为高压SiC MOSFET开关、3为能量吸收系统、4为换流支路、5为混合开关、6为控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1及图2，本发明所述的基于SiC MOSFET的固态直流断路器包括SiC直流固态断路器、第一功率端子A、第二功率端子B、混合开关5及控制系统6，SiC直流固态断路器包括阻尼支路1、换流支路4及高压SiC MOSFET开关2，第一功率端子A依次经阻尼支路1、高压SiC MOSFET开关2及换流支路4与第二功率端子B相连接，混合开关5的两端分别与第一功率端子A及第二功率端子B相连接，控制系统6的输出端与换流支路4的控制端及混合开关5的控制端相连接；所述高压SiC MOSFET开关2包括门极驱动器、n个电阻、n个电容及n个第一MOS管；门极驱动器的控制端与控制系统6相连接，门极驱动器输出端的负极与第一个电容、换流支路4、第一个第一MOS管的源极及第一个电阻相连接，各电阻依次串联连接，各电容依次串联连接，阻尼支路1与第n个电容、第n个电阻及第n个第一MOS管的漏极相连接，前一个第一MOS管的漏极与后一个第一MOS管的源极相连接，第i个电容与第i-1个电容之间的线路与第i个第一MOS管的栅极相连接，第一个第一MOS管的栅极与门极驱动器输出端的正极相连接，其中，2≤i≤n，n为大于等于2的正整数。

SiC直流固态断路器还包括能量吸收系统3，其中，能量吸收系统3的两端分别与高压SiC MOSFET开关2的两端相连接；能量吸收系统3为避雷器。

混合开关5包括机械开关K及第二MOS管M，其中，机械开关K的一端与第一功率端子A相连接，机械开关K的另一端与第二MOS管M的漏极相连接，第二MOS管M的源极与第二功率端子B相连接，第二MOS管M的栅极与控制系统6的输出端相连接。

阻尼支路1为阻尼电阻。

换流支路4为第三MOS管，其中，第三MOS管的漏极与高压SiC MOSFET开关2相连接，第三MOS管的源极与第二功率端子B相连接，第三MOS管的栅极与控制系统6相连接。

本发明所述的基于SiC MOSFET的固态直流断路器的控制方法在操作时，将第一功率端子A与第二功率端子B与线路或者设备相连接，包括以下步骤：

当线路或设备处于正常工作状态时，控制系统6控制换流支路4断开，并控制混合开关5导通，电流流过混合开关5；当线路或设备发生短路故障时，控制系统6控制换流支路4导通，再控制混合开关5断开，电流依次流经阻尼支路1、高压SiC MOSFET开关2及换流支路4，待电流完全转移完成后，关断混合开关5承受SiC直流固态断路器导通压降的直流电压，然后控制系统6控制高压SiC MOSFET开关2关断，短路能量被能量吸收系统3吸收，通过阻尼支路1防止高压SiC MOSFET开关2关断过程中的电压震荡，当高压SiC MOSFET开关2完全关断后，短路故障被切除，高压SiC MOSFET开关2承受直流母线电压。

本发明以SiC直流固态断路器作为断路器的主体，第一功率端子A及第二功率端子B连接于输电线路的主回路中切断短路电流，混合开关5与SiC直流固态断路器并联，降低断路器的导通损耗。

为了提高断路器的电压等级，若干第一MOS管级联组成高压SiC MOSFET开关2，第一MOS管级联的数目n由工作电压决定；当工作电压为V₁，每个第一MOS管的耐压为V₂，第一MOS管的数目n应该满足

换流支路4由第三MOS管组成，在混合开关5处于导通状态时处于关断状态，没有电流流过SiC直流固态断路器；在短路故障出现时，换流支路4先导通，为电流转移做好准备。

阻尼支路1由阻尼电阻组成，其作用是为了防止断路器关断过程中发生谐振，影响各第一MOS管驱动的安全工作，阻尼电阻的阻值与线路的限流电抗、第一MOS管的输出电容、所加驱动电容、能量吸收系统3的寄生电容有关。

如图3所示，混合开关5为由机械开关K及第三MOS管组成，机械开关K承受断路器处于关断状态的断口电压。第三MOS管的作用为当SiC MOSFET处于导通时，控制系统6控制其断开，从而使短路电流完全流过SiC直流固态开关。