一种全固态直流断路器用SiCMOSFET驱动系统及控制方法与流程

本发明属于固态直流断路器领域，涉及一种全固态直流断路器用sicmosfet驱动系统及控制方法。

背景技术：

近年来，直流配电网凭借着相比交流配电网线路造价低、供电质量好、线路损耗小、远距离大功率输电更经济等诸多优点成为关注热点，并且发展迅速。作为保护设备的直流断路器，具有快速、可靠地检测故障、断开故障、保护系统的功能，是影响直流配电网可靠性的关键设备。相比机械和混合式直流断路器，固态直流断路器具有结构简单、开关速度快、动作无弧及性能可靠等优点；与现有的基于si器件的固态断路器相比，以宽禁带器件sicmosfet为开关元件的固态直流断路器又具有耐压水平高、导通损耗小等优势，正成为直流断路器的发展趋势。然而，由于sicmosfet器件不同于传统simosfet的开关特性以及基于sicmosfet固态直流断路器的特殊工作条件，需要设计固态直流断路器用sicmosfet适应性驱动，以对作为主开关元件的sicmosfet进行有效的控制。目前国内外关于固态直流断路器用sicmosfet的驱动系统尚未见报道。虽然有公司给出了sicmosfet的驱动电路的方案和产品，能够用于sicmosfet开关控制，并且能适应一定情况下的应用条件。但是，sicmosfet应用于固态直流断路器中，开关速度极快，开关动作引起的电压振荡尖峰较大，并且针对sicmosfet用于固态直流断路器的情况，需要考虑整合直流电流检测电路以检测固态直流断路器所在电路的短路故障，考虑根据固态直流断路器开通、关断等不同工作情况，提供不同的阻抗通路，以保证作为祝开关元件的sicmosfet能够安全可靠的工作。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种全固态直流断路器用sicmosfet驱动系统及控制方法，能够提高固态直流断路器的可靠性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种全固态直流断路器用sicmosfet驱动系统，包括直流电流检测模块、驱动电路模块以及控制电路模块，其中：

所述直流电流检测模块，采用霍尔电流传感器和电压比较器相结合的原理，用于检测固态直流断路器所在主电路的直流电流，以使得驱动系统能够检测到主电路的短路故障；

所述驱动电路模块，用于给全固态直流断路器用碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(sicmetal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor,sicmosfet)提供开通正电压、关断负电压以及根据不同工作情况，即故障状态下的动作、正常状态下的动作，提供不同的阻抗通路，以保证固态直流断路器安全可靠的工作；

所述控制电路模块，和驱动电路模块匹配使用，用于对固态直流断路器的不同工作状态进行判断，以向驱动电路模块发出阻抗通路选择信号。

进一步，所述直流电流检测模块按照下述公式确定输出信号：

其中，vout表示直流电流检测模块输出电平，1表示高电平，0表示低电平，vr表示电压比较器同相输入端电压，即霍尔电流传感器的输出电压，vref表示电压比较器反相输入端电压，即参考电压。

进一步，所述霍尔电流传感器按照下述公式确定输出电压：

vr＝iout*rn

其中，vr表示霍尔电流传感器输出电压，iout表示霍尔电流传感器输出电流，rn表示霍尔传感器外接输出电阻。

进一步，所述霍尔电流传感器按照下述公式确定输出电流：

iout＝0.5*ifma

其中，if表示霍尔电流传感器所测主电路的直流电流。

进一步，所述直流电流检测模块按照下述公式确定电压比较器反相输入电压：

vref＝vdc*rn1/(rn1+rn2)

其中，vdc表示直流电流检测模块电压比较器供电电压，rn1和rn2表示电压比较器反相输入端分压电阻。

进一步，所述驱动电路模块提供驱动正压时电流通过低阻抗通路，关断时根据固态直流断路器的不同工作情况分别选择高、低阻抗通路。

进一步，所述控制电路模块发出开通、故障关断、手动关断三种信号。

一种全固态直流断路器用sicmosfet驱动控制方法，包括以下步骤：

s1：利用直流电流检测电路检测固态直流断路器所在直流系统主电路是否发生短路故障，直流电流是否超过预定阈值；当直流电流检测电路检测到主电路电流超过预定阈值时，直流电流检测电路输出电平由低电平变为高电平，以使得控制电路模块向驱动电路模块发出关断信号；

s2：通过控制电路向驱动电路发出故障关断信号，实现sicmosfet驱动系统自动检测短路故障自动关断功能；

s3：通过外部开关按钮，输入手动开通按钮或者手动关断按钮，使得控制电路模块向驱动电路模块发出手动开通或者手动关断按钮，实现sicmosfet驱动系统的手动开通或者手动关断功能；当通过外部按钮输入手动开通信号时，直流电流检测电路输出电平由高电平变为低电平，以使得控制电路模块向驱动电路模块发出开通信号；当通过外部按钮输入手动关断信号时，直流电流检测电路输出电平由低电平变为高电平，以使得控制电路模块向驱动电路模块发出关断信号。

本发明的有益效果在于：该方法通过用整合直流电流检测电路模块、控制电路模块、驱动电路模块，实现了固态直流断路器自动检测短路故障并自动关断功能，通过设计外部开关按钮实现了手动开通和手动关断固态直流断路器用sicmosfet开通和关断功能。并且，根据sicmosfet应用于固态直流断路器的特殊工作情况，在驱动电路设计了三条不同的阻抗通路，以对应sicmosfet自动检测故障关断、手动开通、手动关断的工作情况。该驱动系统和方法有效的减小了固态直流断路器的体积和功耗，并且保证了固态直流断路器用sicmosfet能够安全可靠地实现高速的开关动作，提高了整个固态直流断路器的可靠性。

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为本申请中驱动系统对应的原理图；

图2为驱动电路模块仿真图；

图3为控制电路模块仿真图；

图4为直流电流检测模块仿真图。

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。

如图1所示，所述驱动系统包括直流电流检测模块、驱动电路模块以及控制电路模块，其中：

所述直流电流检测模块，用于检测固态直流断路器所在主电路的直流电流，以使得驱动系统能够检测到主电路的短路故障；

所述驱动电路模块，用于给全固态直流断路器用sicmosfet提供开通正电压、关断负电压以及根据不同工作情况(故障状态下的动作、正常状态下的动作)提供不同的阻抗通路，以保证固态直流断路器安全可靠的工作；

所述控制电路模块，和驱动电路匹配使用，用于对固态直流断路器的不同工作状态进行判断，以向驱动电路发出阻抗通路选择信号。

与普通的sicmosfet驱动系统相比，本发明公开的一种固态直流断路器用sicmosfet驱动系统，通过用整合直流电流检测电路模块、控制电路模块、驱动电路模块，实现了固态直流断路器自动检测短路故障并自动关断功能，通过设计外部开关按钮实现了手动开通和手动关断固态直流断路器用sicmosfet开通和关断功能。并且，根据sicmosfet应用于固态直流断路器的特殊工作情况，在驱动电路设计了三条不同的阻抗通路，以对应sicmosfet自动检测故障关断、手动开通、手动关断的工作情况。该驱动系统和方法有效的减小了固态直流断路器的体积和功耗，并且保证了固态直流断路器用sicmosfet能够安全可靠地实现高速的开关动作，提高了整个固态直流断路器的可靠性。

如图2所示，在本实施方式中，通过模拟控制电路发给驱动电路的故障关断信号、手动关断信号、说动开通信号，检测驱动电路模块输出电压的变化，验证驱动电路模块是否能提供较为准确的开通和关断电压。

如图3所示，在本实施方式中，通过模拟直流电流检测电路输出的短路故障信号、手动开通信号、手动关断信号，检测控制电路模块输入和输出端电压的变化，验证控制电路模块是否能实现准确地向驱动电路模块发出短路故障信号、手动关断信号、手动开通信号。

如图4所示，在本实施方式中，通过模拟直流电流检测电路输出的短路故障信号、手动开通信号、手动关断信号，检测控制电路模块输入和输出端电压的变化，验证控制电路模块是否能实现准确地向驱动电路模块发出短路故障信号、手动关断信号、手动开通信号。

在本实施方式中，所述直流电流检测模块采用霍尔电流传感器和电压比较器相结合的原理，其中，所述直流电流检测模块按照下述公式确定输出信号：

式中，vout表示直流电流检测模块输出电平(1表示高电平，0表示低电平)，vr表示电压比较器同相输入端电压(也是霍尔电流传感器的输出电压)，vref表示电压比较器反相输入端电压(参考电压)。

其中所述霍尔电流传感器按照下述公式确定输出电压：

vr＝iout*rn

式中，vr表示霍尔电流传感器输出电压，iout表示霍尔电流传感器输出电流，rn表示霍尔传感器外接输出电阻。

其中所述霍尔电流传感器按照下述公式确定输出电流：

iout＝0.5*ifma

式中，if表示霍尔电流传感器所测主电路的直流电流。

其中所述直流电流检测模块按照下述公式确定电压比较器反相输入电压：

vref＝vdc*rn1/(rn1+rn2)

式中，vdc表示直流电流检测模块电压比较器供电电压，rn1和rn2表示电压比较器反相输入端分压电阻。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本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。