混合式直流断路器的制作方法

1.本实用新型涉及断路器领域，具体涉及一种混合式直流断路器。


背景技术：

2.由于直流供电系统缺乏电压过零点，因此直流供电系统存在故障电流难以切断的难题。为了迅速切断故障电流，且使得机械开关无电弧分断，目前提出了混合式直流断路器，其包括机械开关，与机械开关并联的半导体开关和电涌放电器(或称防雷器、浪涌保护器或电涌保护器)。
3.混合式直流断路器的基本原理是：当直流电路中出现故障电流(例如短路电流)时，触发机械开关断开。机械开关在断开的过程中，为了尽可能避免在机械开关断开过程中产生的电弧，先控制半导体开关导通，从而将电流换流到半导体开关中，然后断开机械开关，在机械开关断开之后，再接着断开半导体开关，从而完成短路电流的迅速分断过程，其中电涌放电器用于吸收直流供电系统中残余的电能。
4.然而，现有的混合式直流断路器无法确保机械开关做到完全无电弧分断，且无法确定何时导通半导体开关以使得机械开关安全、可靠地关断故障电流。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的上述技术问题，本实用新型提供了一种混合式直流断路器，包括：
6.连接在第一电流支路上的机械开关；以及
7.连接在第二电流支路上的半导体开关和强制谐振注入电路，所述强制谐振注入电路包括第一端子和第二端子，所述强制谐振注入电路的第一端子连接至所述半导体开关的一端，且所述强制谐振注入电路的第二端子和半导体开关的另一端连接至所述机械开关的两端；
8.其中，当所述机械开关在断开的过程中，所述半导体开关被控制为导通，同时所述强制谐振注入电路被控制为向所述机械开关注入与所述机械开关中的电流方向相反且逐渐增加的注入电流，以使得所述机械开关中的电流在预定的换向时间内逐渐降低为零且将电流从第一电流支路换向至所述第二电流支路。
9.优选的，当所述机械开关中的电流在预定的换向时间内降为零时，所述强制谐振注入电路被控制为停止输出注入电流。
10.优选的，当所述机械开关的触头间距达到预定的阈值时，所述半导体开关被控制为截止。
11.优选的，所述强制谐振注入电路包括：直流电源，其电源来自所述第一电流支路上的直流电压或外部电源，以对直流母线电容充电；直流母线，其连接至所述直流母线电容，且用于向所述强制谐振注入电路提供电流；逆变器，其在电流注入期间被提供开关脉冲，以产生极性交替的方波周期性电压脉冲；谐振电路，其包括串联的电感和电容，其一端连接至
所述逆变器的输出端，其另一端用于输出幅值逐渐增加的交流电；整流电路，其输入端连接至所述谐振电路的另一端，其输出端用于输出幅值逐渐增加的脉动直流电；以及输出模块，其输入端电连接至所述整流电路的输出端，其输出端作为所述强制谐振注入电路的第一端子和第二端子，所述输出模块用于对所述脉动直流电进行滤波和放大，且输出所述注入电流；其中所述逆变器、谐振电路、连接在所述谐振电路的另一端和所述逆变器的输出端之间的电路的等效电阻、等效电感和等效电容形成了欠阻尼的谐振电路，所述方波周期性电压脉冲的频率取决于所述欠阻尼的谐振电路的谐振频率。
12.优选的，所述半导体开关为双向可控的半导体开关；所述混合式直流断路器还包括连接在所述整流电路和所述输出模块之间的极性模块，所述极性模块包括全桥电路，其被控制为改变所述极性模块的输入电流和输出电流的极性。
13.优选的，所述逆变器为单电平、双电平或多电平全桥逆变器或半桥逆变器。
14.优选的，所述输出模块被配置为在其输入端和所述第一电流支路之间产生电流断开。
15.优选的，所述输出模块为包括第一绕组和第二绕组的自耦变压器，所述第一绕组的第一端子电连接至所述整流电路的第一输出端子，所述第一绕组的第二端子电连接至所述第二绕组的第一端子，且作为所述强制谐振注入电路的第一输出端子，所述第二绕组的第二端子电连接至所述整流电路的第二输出端子，且作为所述强制谐振注入电路的第二输出端子。
16.优选的，所述变压器或所述自耦变压器是无芯的。
17.优选的，所述极性模块包括：连接形成第一桥臂的第一和第二开关晶体管，所述第一和第二开关晶体管相连接形成的第一节点作为所述第一极性端子；连接形成第二桥臂的第三和第四开关晶体管，所述第三和第四开关晶体管相连接形成的第二节点作为所述第二极性端子；其中，所述第一开关晶体管的第一电极和第三开关晶体管的第一电极连接至所述整流电路的正极输出端子，所述第二开关晶体管的第二电极和第四开关晶体管的第二电极连接至所述整流电路的负极输出端子。
18.优选的，所述混合式直流断路器还包括与所述半导体开关并联的电涌放电器。
19.在直流供电系统正常的供电过程中，本实用新型的强制谐振注入电路功耗为零。当直流供电系统中出现故障电流时，强制谐振注入电路可控地向机械开关注入电流方向相反、且逐渐增加的注入电流，能够控制电流换向的时间，且使得机械开关两端具有较小的恢复电压，使得机械开关能够实现安全、可靠地断开故障电流。
附图说明
20.以下参照附图对本实用新型实施例作进一步说明，其中：
21.图1是根据本实用新型较佳实施例的混合式直流断路器的框图。
22.图2是图1所示的混合式直流断路器中的电流波形图。
23.图3示出了图1所示的混合式直流断路器中的强制谐振注入电路的具体方框图。
24.图4是图3所示的强制谐振注入电路中的谐振电路输出的谐振电流的波形图。
25.图5是图3所示的强制谐振注入电路中的整流电路输出的整流电流的波形图。
26.图6是图3所示的强制谐振注入电路中的输出模块输出的注入电流的波形图。
27.图7是根据本实用新型第一个实施例的混合式直流断路器的具体电路图。
28.图8是根据本实用新型第二个实施例的混合式直流断路器中的极性模块的具体电路图。
29.图9是根据本实用新型第三个实施例的混合式直流断路器中的输出模块的具体电路图。
30.图10是根据本实用新型第四个实施例的混合式直流断路器中的半导体开关的具体电路图。
31.图11是根据本实用新型第五个实施例的混合式直流断路器中的逆变器的具体电路图。
具体实施方式
32.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本实用新型进一步详细说明。
33.图1是根据本实用新型较佳实施例的混合式直流断路器的框图。如图1所示，混合式直流断路器1包括连接在第一电流支路上的机械开关11，以及连接在第二电流支路上的半导体开关13和强制谐振注入电路14。强制谐振注入电路14包括端子1461和端子1462，强制谐振注入电路14的端子1461连接至半导体开关13的一端，半导体开关13的另一端和强制谐振注入电路14的端子1462连接至机械开关11的两端。混合式直流断路器1还包括与半导体开关13并联的电涌放电器12。
34.为了方便下面描述，在图1中分别用箭头标识出机械开关11中的电流i
sw
、电涌放电器12中的电流ia、半导体开关13中的电流ib、强制谐振注入电路14输出的注入电流ic和混合式直流断路器1中的电流i
cb
的方向。
35.强制谐振注入电路14被控制为输出逐渐增加的注入电流ic，其中该注入电流ic流进机械开关11中，其方向与机械开关11中的电流i
sw
的方向相反，且用于使得机械开关11中的电流i
sw
在预定的换向时间内逐渐降低为零。
36.图2是图1所示的混合式直流断路器中的电流波形图。如图2所示，在时刻t1之前，直流供电系统处于正常供电状态，电路中无故障电流，机械开关11处于导通状态，且半导体开关13处于截止状态，直流供电系统通过导通的机械开关11给负载(图1未示出)正常供电，此时电涌放电器12中的电流ia、半导体开关13中的电流ib和强制谐振注入电路14输出的注入电流ic都为零，机械开关11中的电流i
sw
等于混合式直流断路器1中的电流i
cb
。由于强制谐振注入电路14中的电流为零，因此在正常的供电过程中，强制谐振注入电路14的功率损耗为零。
37.在时刻t1，当负载发生短路时，机械开关11中的电流i
sw
急剧上升，且混合式直流断路器1中的电流i
cb
急剧上升。
38.在时刻t2，当机械开关11中的电流i
sw
上升到跳闸电流时，控制装置或跳闸电路(图1未示出)开始控制机械开关11断开。
39.时刻t2～时刻t3，机械开关11的触头处于分离过程，机械开关11中的电流i
sw
逐渐增加，且混合式直流断路器1中的电流i
cb
逐渐增加。
40.在时刻t3，控制半导体开关13导通，同时控制强制谐振注入电路14从时刻t3开始
输出注入电流ic，注入电流ic的方向是从端子1461流向端子1462，并且沿着与机械开关11中的电流i
sw
的方向相反的方向注入机械开关11中。
41.时刻t3～时刻t4，强制谐振注入电路14输出的注入电流ic逐渐增加，且半导体开关13中的电流ib逐渐增加，由于注入电流ic的方向与机械开关11中的电流i
sw
的方向相反，使得机械开关11中的电流i
sw
逐渐降低。在此过程中，机械开关11中的电流i
sw
逐渐换向至半导体开关13中，且半导体开关13中的电流ib和混合式直流断路器1中的电流i
cb
继续上升。
42.在时刻t4，机械开关11中的电流i
sw
为零，此时完成了电流换向过程，控制强制谐振注入电路14输出的注入电流ic等于零，停止向机械开关11注入电流。
43.时刻t4～时刻t5，短路电流仅流经处于导通状态的半导体开关13，此时半导体开关13中的电流ib继续增加，且混合式直流断路器1中的电流i
cb
逐渐增加。在此过程中，机械开关11的动触头继续以几米每秒的速度打开，动触头和静触头的间距在时刻t5达到预定的触头间距。由于强制谐振注入电路14输出的注入电流ic使得机械开关11中的电流i
sw
已经换向至半导体开关13中，机械开关11在此过程中将不承受大电流中断，即无需在大电流下断开。具体而言，机械开关11将实现零电流关断和无电弧关断。
44.在时刻t5，控制装置(图1未示出)控制半导体开关13处于截止或断开状态，半导体开关13中的电流ib降为零，此时混合式直流断路器1中的电流i
cb
达到最大值。
45.时刻t5～时刻t6，由于直流供电系统中并不存在电势过零点，此时直流供电系统中残余电能将通过电涌放电器12、强制谐振注入电路14的端子1461、1462放电，电涌放电器12将开始消耗直流供电系统中的电能，由此电涌放电器12中的电流ia逐渐降低至零，同时混合式直流断路器1中的电流i
cb
逐渐降低至零。最终在时刻t6实现了故障清除。
46.本实用新型的混合式直流断路器1中的强制谐振注入电路14的两个端子1461、1462与半导体开关13串联连接在第二电流支路上，且并未连接在机械开关11所在的第一电流支路上，因此在正常的供电或传输直流电的过程中，直流供电系统仅通过机械开关11向负载进行供电，强制谐振注入电路14的功耗为零。
47.另外，机械开关11在断开的过程中，本实用新型的强制谐振注入电路14能够可控地向机械开关11注入与电流i
sw
的方向相反、且逐渐增加的注入电流ic，能够控制机械开关11中的电流i
sw
从时刻t3～时刻t4换向至半导体开关13，即能够控制电流换向的时间。
48.强制谐振注入电路14能够在电流换向结束时刻t4控制半导体开关13中的电流ib的电流变化率，较小的电流变化率使得机械开关11具有较大的快速断开能力和较小的断开损耗。在电流换向结束时刻(即时刻t4)，机械开关11两端的恢复电压取决于半导体开关13的电阻和半导体开关13中的电流ib，可以使得机械开关11两端的恢复电压较小，例如为几伏特至几十伏特。在电流换向结束时刻，机械开关11具有较小的电流变化率，同时机械开关11两端具有较小的恢复电压，因此机械开关11能够实现安全、可靠地断开。
49.上述时刻t4～时刻t5的时间段为混合式直流断路器1的关断延迟时间，用于使得机械开关11的动、静触头的间距在关断延迟时间内达到预定的触头间距，其中该预定的触头间距和关断延迟时间取决于机械开关11的恢复电压和动触头的打开速度。
50.当混合式直流断路器1用于双向直流供电系统中时，例如当混合式直流断路器1中的电流方向与上述电流i
cb
的方向相反时，强制谐振注入电路14被控制为其端子1461输出逐渐增加的注入电流。
51.图3示出了图1所示的混合式直流断路器中的强制谐振注入电路的具体方框图。如图3所示，强制谐振注入电路24包括直流电源241、连接在直流母线之间的直流母线电容c1、逆变器242、谐振电路243、整流电路244、极性模块245和输出模块246，其中逆变器242的输入端连接至直流电源241，其输出端通过谐振电路243连接至整流电路244的输入端，整流电路244的输出端连接至极性模块245的输入端，极性模块245的输出端连接至输出模块246的输入端，且输出模块246的一个端子2461连接至半导体开关23的一端，另一个端子2462连接至机械开关21的一端。
52.直流电源241的供电来自第一电流支路上的直流电压或外部电源，以对直流母线电容c1充电；直流母线电容c1通过直流母线向强制谐振注入电路提供电流。
53.其中逆变器242、谐振电路243、整流电路244、极性模块245和输出模块246的等效电阻、等效电容和等效电感形成了欠阻尼的谐振电路。
54.控制装置(图3未示出)给逆变器242提供高频(例如10～100khz)的脉宽调制信号，即开关脉冲，使得逆变器242将直流母线电容c1上的直流电逆变为交流电，即极性交替的方波周期性电压脉冲，其中方波周期性电压脉冲的频率取决于欠阻尼的谐振电路的谐振频率，使得谐振电路243输出谐振电流i
res
。
55.输出模块被246还被配置为在其输入端和第一电流支路之间产生电流断开。
56.图4是图3所示的强制谐振注入电路中的谐振电路输出的谐振电流的波形图。如图4所示，谐振电流i
res
为幅值逐渐增加的交流电，其谐振频率由等效负载电路的电感、电容和等效电阻(例如电感和电容的体电阻)的固有频率确定。在开始振荡时，逆变器242输出电压至谐振电路243，由此谐振电路243开始产生振荡电流。当谐振电流i
res
每次过零点时，逆变器242被控制为切换输出电压极性，直流母线电容c1上的电能通过逆变器242输出至谐振电路243，从而在每一个开关周期内提供电能，使得谐振电路243输出的谐振电流i
res
的幅值逐渐增加。
57.整流电路244用于将谐振电路243输出的谐振电流i
res
整流为脉动直流电。
58.图5是图3所示的强制谐振注入电路中的整流电路输出的整流电流的波形图。如图5所示，整流电流ir为脉动直流电，其电流方向不变，幅值周期地增加。
59.极性模块245包括正极输入端子、负极输入端子、极性端子2451和极性端子2452，极性模块245的正极和负极输入端子分别连接至整流电路244的正极输出端子和负极输出端子。极性模块245可控地使其极性端子2451、2452为正极输出端子和负极输出端子，或使其极性端子2451、2452为负极输出端子和正极输出端子。由此极性模块245输出与整流电路244输出的脉动直流电同相或反相的脉动直流电。
60.输出模块246用于滤除或减少极性模块245输出的脉动直流电中的交流成分，从而输出幅值逐渐增加且平滑的直流电。
61.图6是图3所示的强制谐振注入电路中的输出模块输出的注入电流的波形图。如图6所示，输出模块246输出的注入电流ic为平滑的直流电，其幅值随时间逐渐增加。注入电流ic从输出模块246的端子2462输出并流进机械开关21中，从而使得机械开关21中的电流在电流换向时间内逐渐减小至零。
62.通过给逆变器242提供高频(例如10～100khz)的脉宽调制信号，使得输出模块246能够在开关频率的几个周期内(例如几十至几百微秒内)输出逐渐增加且平滑的直流电，从
而使得机械开关21中的故障电流能够迅速地换向至半导体开关23中。
63.在本实用新型的其他实施例中，当混合式直流断路器2用于单向直流供电系统中时，混合式直流断路器2可以不具有极性模块245，且半导体开关23可以为单向可控半导体开关。
64.图7是根据本实用新型第一个实施例的混合式直流断路器的具体电路图。如图7所示，半导体开关33是一个双向可控开关，包括具有反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管t31和具有反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管t32，其中绝缘栅双极型晶体管t31的发射极连接至绝缘栅双极型晶体管t32的发射极。通过控制绝缘栅双极型晶体管t31或t32导通，从而实现直流电的单向导通。
65.逆变器342是由四个场效应晶体管构成的全桥逆变器。
66.谐振电路343包括串联的电感l3和电容c3，通过选择合适参数的电感l3和电容c3，当满足时形成欠阻尼的谐振电路。其中r’、l’和c’分别是逆变器342、谐振电路343、整流电路344、极性模块345和输出模块346的等效电阻值、等效电感值和等效电容值。例如等效电阻值、等效电感值和等效电容值分别为3.5欧姆、150μh和82nf时，此时形成欠阻尼的谐振电路。
67.逆变器342的开关频率取决于欠阻尼的谐振电路的谐振频率，例如选用150μh的电感l3和82nf的电容c3，逆变器342的开关频率是即约45khz。
68.当控制逆变器342中斜对角的两个绝缘栅双极型晶体管导通时，直流电源341通过斜对角导通的两个绝缘栅双极型晶体管输出电能，由此谐振电路343输出第一极性的电流。当控制逆变器342中另一个斜对角的两个绝缘栅双极型晶体管导通时，直流电源341通过导通的两个绝缘栅双极型晶体管输出电能，由此谐振电路343输出幅值增加的第二极性的电流。控制逆变器342中的绝缘栅双极型晶体管以上述两种方式交替导通，从而使得谐振电路343在脉宽调制信号的多个开关周期内输出幅值逐渐增加的交流电。
69.整流电路344为全波整流电路，其包括4个二极管。
70.极性模块345包括全桥电路，其被控制为改变极性模块的输入电流和输出电流的极性。具体而言，极性模块345包括四个具有反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管t33、t34、t35和t36，以及与绝缘栅双极型晶体管t33、t34、t35和t36分别串联的二极管d33、d34、d35和d36。其中串联的绝缘栅双极型晶体管t33和二极管d33与串联的绝缘栅双极型晶体管t34和二极管d34相连接形成的节点n1作为极性模块345的极性端子3451，且串联的绝缘栅双极型晶体管t35和二极管d35与串联的绝缘栅双极型晶体管t36和二极管d36相连接形成的节点n2作为极性模块345的极性端子3452。其中当斜对角的绝缘栅双极型晶体管t33和t36被控制为导通时，极性端子3451、3452分别作为极性模块345的正极输出端子和负极输出端子。当斜对角的绝缘栅双极型晶体管t34和t35被控制为导通时，极性端子3451、3452分别作为极性模块345的负极输出端子和正极输出端子。
71.输出模块346为自耦变压器，自耦变压器是无芯的以防止磁饱和。自耦变压器包括绕组l31和绕组l32，绕组l31的同名端连接至节点n1，绕组l32的同名端与绕组l31的非同名端相连接且作为输出模块346的端子3461，绕组l32的非同名端连接至节点n2且作为输出模块346的端子3462。
72.当极性模块345的极性端子3452输出电流i31并流进绕组l32的非同名端时，电流i31从绕组l31的非同名端流向其同名端，绕组l32的同名端到其非同名端具有电流i32，端子3462输出注入电流ic，其中注入电流ic等于电流i31与电流i32之和。注入电流ic注入机械开关31中，从而使得机械开关31中的电流i
sw
在预定的电流换向时间内逐渐减小至零。
73.图8是根据本实用新型第二个实施例的混合式直流断路器中的极性模块的具体电路图。如图8所示，极性模块445包括四个不具有反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管t43、t44、t45和t46，其中绝缘栅双极型晶体管t43和t44连接形成一个桥臂，绝缘栅双极型晶体管t45和t46连接形成另一个桥臂。具体而言，绝缘栅双极型晶体管t43和t45的集电极相连接且用于连接至整流电路的正极输出端子，绝缘栅双极型晶体管t44和t46的发射极相连接且用于连接至整流电路的负极输出端子，绝缘栅双极型晶体管t43的发射极与绝缘栅双极型晶体管t44的集电极相连接形成的节点n41作为极性模块445的一个极性端子4451，绝缘栅双极型晶体管t45的发射极与绝缘栅双极型晶体管t46的集电极相连接形成的节点n42作为极性模块445的另一个极性端子4452。
74.当斜对角的绝缘栅双极型晶体管t43和t46被控制为导通且绝缘栅双极型晶体管t44和t45被控制为截止时，极性端子4451和4452分别作为正极输出端子和负极输出端子，其中电流从极性端子4451流出，且从极性端子4452流进。当另一斜对角的绝缘栅双极型晶体管t44和t45被控制为导通且绝缘栅双极型晶体管t43和t46被控制为截止时，极性端子4451和4452分别作为负极输出端子和正极输出端子，其中电流从极性端子4452流出，且从极性端子4451流进。
75.图9是根据本实用新型第三个实施例的混合式直流断路器中的输出模块的具体电路图。如图9所示，输出模块446为无磁芯变压器，其包括初级绕组l41和次级绕组l42，其中初级绕组l41的同名端和非同名端分别用于连接至整流电路244的正极输出端子和负极输出端子，或连接至极性模块245的两个极性端子2451、2452，次级绕组l42的同名端和非同名端分别作为输出端子4461、4462，且分别用于连接至半导体开关和机械开关。当电流从初级绕组l41的非同名端流向同名端时，次级绕组l42中的电流是从输出端子4461流向输出端子4462。无磁芯变压器446具有电流隔离功能，同时还能够降低高频谐振电流i
res
在传输过程中导致的功率消耗。
76.图10是根据本实用新型第四个实施例的混合式直流断路器中的半导体开关的具体电路图。如图10所示，半导体开关43包括四个二极管d41、d42、d43和d44连接形成的桥式电路，以及绝缘栅双极型晶体管t41，其集电极连接至二极管d41和d43的负极，其发射极连接至二极管d42和d44的正极。当绝缘栅双极型晶体管t41被控制为导通时，其中一个导电路径是电流从端子431流进，通过二极管d41、导通的绝缘栅双极型晶体管t41、二极管d44流到端子432；另一个导电路径是电流从端子432流进，通过二极管d43、导通的绝缘栅双极型晶体管t41、二极管d42流向端子431。
77.图11是根据本实用新型第五个实施例的混合式直流断路器中的逆变器的具体电路图。如图11所示，逆变器442为半桥逆变器，其包括绝缘栅双极型晶体管t47、t48，以及电容c41和c42，其中半桥逆变器442的正极输入端子和负极输入端子分别电连接至直流电源241的正极和负极，用于将直流电源241输出的直流电逆变成交流电。半桥逆变器442仅具有两个开关晶体管，因此能够节省器件成本。
78.在本实用新型的其他实施例中，逆变器还可以是单电平、双电平或多电平全桥(h桥)逆变器。
79.在本实用新型的另一个实施例中，可以采用金氧半场效应晶体管(mosfet)等开关晶体管替换上述实施例中的半导体开关33和/或极性模块345中的绝缘栅双极型晶体管。
80.在本实用新型的另一个实施例中，混合式直流断路器可以包括串联的多个半导体开关33。
81.在本实用新型的另一个实施例中，整流电路244可以采用半波整流电路等整流电路，以将交流电整流成脉动直流电。
82.虽然本实用新型已经通过优选实施例进行了描述，然而本实用新型并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本实用新型范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。