一种灭弧型低压直流断路器的制作方法

本发明涉及一种灭弧型低压直流断路器，属于电力电子的技术领域。

背景技术：

随着新能源控制技术以及大功率电力电子器件不断发展，直流配电网日益受到人们的关注。然而，直流系统线路阻抗低，当发生短路故障时，线路电流上升迅速，在很短的时间内上升到电网难以承受的水平。直流断路器，作为直流输电的关键设备，能够快速隔离故障，然后，传统机械式断路器虽然通态损耗低，开断能力强，但是开断时间受到振荡电路和燃弧现象的限制，很难满足某些场合的开断需求。固态断路器仅由电力电子器件组成，所以开断过程迅速，没有电弧产生，且快速的开断时间能满足所有直流开断的需求。但是，固态断路器通态损耗巨大，散热和效率限制了其实际大电流实用。混合直流断路器由机械断路器并联固态断路器组成，继承了固态断路器开断迅速与机械断路器通态损耗低的特点，成为近年来研究的热点，也是直流配电网高效可靠运行的关键装备。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种灭弧型低压直流断路器。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种灭弧型低压直流断路器，包括接触器k1、jfet器件j1、igbt器件t1及其反并联二级管d1、二级管d2、缓冲电容c1和c2、阻尼电阻r1和r2、氧化锌阀片z1和相应驱动电路；

接触器k1的正极1连接断路器的正接入点+km，k1的负极2连接j1的d极，j1的s极连接断路器的负接入点+km1，j1的门极连接驱动电路；

氧化锌阀片z1的两端分别连接断路器的正负接入点+km、+km1；

缓冲电容c1一端连接断路器的正接入点+km，另外一端连接阻尼电阻r1的一端，形成中心点o，阻尼电阻r1的另一端连接断路器的负接入点+km1；缓冲电容c2一端连接中心点o，另外一端连接阻尼电阻r2的一端，阻尼电阻r2的另一端连接断路器的负接入点+km1；

t1的c极连接断路器的正接入点+km，t1的e极连接d2的正极，即连接中心点o，d2的负极连接断路器的负接入点+km1，t1的门极连接驱动电路。

所述j1的门极施加驱动负电压时为导通状态；施加低于阈值的驱动电压时为截止状态。

合闸状态时t1和d2中无电流。

所述jfet器件j1、igbt器件t1采用hcpl-3120芯片进行驱动，接触器k1采用光继电器tlp3553驱动。

本发明所达到的有益效果：1、本发明可以实现一种灭弧型直流断路器，不仅提高了断路器的运行效率和可靠性，而且有效的控制了动作时间；2、本发明还实现了完整的器件保护和启动过程控制，非常适合于直流配电网领域；3、本发明采用常通型jfet作为辅助换流器器件，便于控制和保护测量；4、本发明主换流igbt器件采用阶段式关断模式，并配合吸收电容，可有效控制igbt的流通电流和发热量；5、jfet内阻皆作过电流保护测量电阻，实施简单，且成本较低。

附图说明

图1为本发明的电路图；

图2为本发明的驱动电路图；

图3为本发明的igbt多阶段关断模式电路图；

图4为本发明的过电流测量电路图；

图５为本发明的开通动作时续图；

图6为本发明的关断动作时续图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明涉及一种灭弧型低压直流断路器，其电路包括接触器k1、jfet器件j1、igbt器件t1及其反并联二级管d1、二级管d2、缓冲电容c1和c2、阻尼电阻r1和r2、氧化锌阀片z1；

接触器k1的正极1连接断路器的正接入点+km，k1的负极2连接j1的d极，j1的s极连接断路器的负接入点+km1，j1的门极连接驱动电路；

氧化锌阀片z1的两端分别连接断路器的正负接入点+km、+km1；

缓冲电容c1一端连接断路器的正接入点+km，另外一端连接阻尼电阻r1的一端，形成中心点o，阻尼电阻r1的另一端连接断路器的负接入点+km1；缓冲电容c2一端连接中心点o，另外一端连接阻尼电阻r2的一端，阻尼电阻r2的另一端连接断路器的负接入点+km1；

t1的c极连接断路器的正接入点+km，t1的e极连接d2的正极，即连接中心点o，d2的负极连接断路器的负接入点+km1，t1的门极连接驱动电路。

如图2所示，直流断路器驱动电路包含k1、j1和t1的驱动。k1采用光继电器tlp3553驱动其动作线圈实现，驱动电压为24v，通过dsp的io脚控制光继电器通断，进而控制k1。j1利用hcpl-3120芯片进行驱动，驱动电压为-20-0v，当dsp的io脚输出逻辑“0”时，其驱动电路输出-20v，jfet为关断状态，当dsp的io脚输出逻辑“1”时，其驱动电路输出0v，jfet为开通状态。t1也利用hcpl-3120芯片进行驱动，t1的关断为多阶段模式，根据dsp测量的电流大小，判断选择对应的关断驱动支路，如图3所示，通常驱动电压为vee1=-8v，vcc1=15v的第一支路，当dsp的io脚输出逻辑“0”时，其驱动电路输出-8v，igbt为关断状态，当dsp的io脚输出逻辑“1”时，其驱动电路输出15v，igbt为开通状态。当需要关断故障电流时，根据实际dsp测量的电流大小，选择第二支路、第三支路，亦可根据实际需求选择更多的支路。上述二个支路的原理是根据vccx和veex(x=2或3)和钳位二极管的配置不同的门极驱动电压vge，如式（1）所示，通过控制门极电压进而可控制igbt流通的电流，从而控制c1流通电流及其两端电压的上升率，即控制igbt的关断速度。

（1）

其中，ic,sat为igbt的集电极电流，α为igbt结构决定的常数，vge为加在igbt门极的电压，vth为igbt的门极阈值电压，一般也认为是常数。

由于j1的自身电阻值很小，如图4所示，可以通过电阻电容差分滤波电路后接入隔离线性光耦，隔离线性光耦输出接至调理运放电路，其输出分两路分别接入dsp的adc1和比较器脚comp1，adc1由dsp的软件按采集时序读取数据并执行计算，比较器comp1输出则实现中断加速启动，结果和dsp的计算结果组成相关的逻辑控制。

上述直流断路器的开通状态和关断状态原理如下：

j1是一种电阻值很小的常导通型器件，即当没有驱动负电压施加其门极时，其为导通状态；当低于阈值的驱动电压施加其门极时，其为截止状态。因此，正常合闸状态运行时，接触器k1和j1形成主供电回路，k1、j1、t1均处于开通状态，因j1的电阻值很小，k1、j1构成的主供电回路导通电流且损耗较小；t1、d2的压降较k1、j1的压降大，因此t1和d2中无电流。正常断开状态时，k1、j1、t1都处于断开状态，c1承担直流母线电压。

上述直流断路器的开通过程原理如下：

如图5所示，合闸命令下达后，先开通j1，20us后再合k1，待k1触电闭合后，c1通过r1、j1、k1放电，10s后c1电压降至较小值，最后开通t1，因此t1不存在过冲电流。

上述直流断路器的关断过程原理如下：

如图6所示，分闸命令下达后，首先分断j1，由于jfet为少子型器件，20us后j1中无电流，即k1和j1支路无电流，然后再分断k1，因此k1没有电弧；k1分断后，由于t1在开通状态，c1两端电压上升较小，因此j1仅承受小电压，此时电流通过t1和d2；5ms之后，k1完全分断，此后，开始关断t1，t1的门极电压采用阶段式下降模式，该模式有效控制t1的流通电流，因此此时断路器电流的电流一部分流过t1，一部分流过c1，c1电压不断上升，最后时刻t1完全关断，c1电压上升至一定过冲电压后自然恢复至母线电压，断路器自然关断；故障模式时，电流较大，c1电压上升至z1动作电压，z1限制过冲电压并消耗多余能量，最后c1电压恢复至母线电压，随后断路器才自然关断。

上述电路通过接触器、jfet和igbt、电容器的组合，完整的器件保护和启动过程逻辑控制，可以实现接触器的无弧关断，不仅提高了断路器的运行效率和可靠性，而且有效的控制了动作时间，非常适合于直流配电网、变电站直流系统、计算中心直流电源系统等领域。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。