利用半导体的断路器及其控制方法与流程

本发明涉及一种断路器，尤其，涉及一种利用电力用半导体开关的半导体断路器(sscb)。

背景技术：

1、如果在用于供电的电力系统中发生故障，则过电流或故障电流等异常电流会通过电力系统流入到负载。并且，流入的异常电流会导致负载的烧损。因此，在发生电力系统故障的情况下，为了防止所述异常电流流入到负载，并为了切断电流流入到负载，可以使用从电力系统切断负载的断路器(circu it breaker)。

2、在现有机械式断路器的情况下，直到切断电路为止需要数十毫秒(数十msec)的较长的时间，存在异常电流在此期间流入到负载的问题。因此，最近使用着半导体断路器(sscb)，所述半导体断路器包括可导通大电流且由具有高速的开关频率的电力用半导体构成的半导体开关，从而能够高速切断电流。

3、在这种半导体断路器的情况下，与mccb(molded case circuit breaker：塑壳断路器)这样的断路器相比，检测电流的时间非常短，因此具有能够高速切断电路的优点。但是，如上所述，由于检测电流的时间非常短，因此存在如下问题：即使在产生瞬间增大但在短时间内恢复到正常状态的瞬变电流(transient current)，即浪涌电流的情况下，也会发生将其检测并切断电路的情况。

4、因此，为了防止在无负载状态下接通(on)所述半导体断路器并形成电力系统和负载之间的电路时，即在负载的初始启动时产生的浪涌电流导致电路被切断的情况，通常的半导体断路器包括额外的初始充电电路。

5、这种初始充电电路可以包括开关，所述开关通过经由初始充电电阻的电路或绕过所述初始充电电阻的旁路电路中的任意一个来将初始充电电阻和电路连接。因此，通常的半导体断路器存在由于使用所述初始充电电路而导致电路的构成变得复杂且由于用于设置所述初始充电电路的内部空间导致其大小变大的问题。

技术实现思路

1、发明所要解决的问题

2、本发明的目的是解决上述的问题和其他问题，其目的在于，提供一种即使没有初始充电电路，也不会发生负载的初始启动时产生的浪涌电流引起的电路切断的半导体断路器及其半导体断路器的控制方法。

3、解决问题的技术方案

4、为了达成上述或其他目的，根据本发明的一侧面，在本发明的半导体断路器(solid state circuit breaker)中，半导体断路器配置于电力系统和负载之间，其特征在于，包括：半导体开关部，包括根据施加于栅极端子的电压来电连接或切断所述电力系统和所述负载的半导体开关；以及控制部，如果所述半导体断路器接通，则通过控制所述半导体开关，使得在预先设定的初始驱动时间期间反复接通和断开，从而逐渐降低因所述电力系统和负载的初始连接而产生的浪涌电流的大小。

5、在一实施例中，其特征在于，在所述初始驱动时间期间，并且仅限在所述半导体断路器内的电流电平达到执行半导体开关所内置的跳闸(trip)功能的第一电流电平的情况下，所述控制部执行硬跳闸功能。

6、在一实施例中，其特征在于，在所述初始驱动时间期间，所述控制部控制所述半导体开关，使得所述接通和断开以预先设定的时间为周期反复。

7、在一实施例中，其特征在于，还包括接收用户输入的输入部，所述控制部通过所述输入部来接收初始驱动信息，所述初始驱动信息包括：所述预先设定的时间和所述半导体开关接通的时间的比率，即半导体开关占空比(du ty cycle)；在所述初始驱动时间期间所述半导体开关的接通和断开反复的通断反复次数；以及所述初始驱动时间的信息。

8、在一实施例中，其特征在于，如果接收到所述初始驱动信息，则所述控制部根据所述初始驱动信息来生成在所述初始驱动时间期间用于控制至少一个所述半导体开关的占空比信号(duty signal)，所述占空比信号是以所述预先设定的时间为周期，根据所述半导体开关占空比来向至少一个所述半导体开关的栅极端子施加的栅极电压信号。

9、在一实施例中，其特征在于，所述半导体开关占空比形成为根据每个周期来分别将半导体开关接通的时间设定为不同，并且随着半导体开关的接通和断开持续进行，在一周期内半导体开关接通的时间变长。

10、在一实施例中，其特征在于，还包括向所述半导体开关的每个栅极端子施加栅极电压的复数个栅极驱动器，所述控制部通过控制分别对应于所述半导体开关的至少一个栅极驱动器，使得向所述半导体开关的栅极端子施加阈值电压以上的栅极电压或者施加小于所述阈值电压的栅极电压，从而接通和断开所述半导体开关。

11、在一实施例中，其特征在于，还包括从所述电力系统物理连接或切断所述半导体断路器和负载的切断开关，在所述初始驱动时间期间，在所述半导体断路器内的电流电平达到执行软跳闸功能的第二电流电平的情况下，所述控制部对满足执行所述软跳闸功能的条件的次数进行计数，在满足执行所述软跳闸功能的条件的次数为预先设定的次数以上或者在所述半导体断路器内部的电流为所述切断开关动作的预先设定的电流电平以上的情况下，所述控制部通过驱动所述切断开关来物理分离所述电力系统和所述负载，所述第二电流电平为低于所述第一电流电平的电流电平。

12、在一实施例中，其特征在于，还设置存储器，所述存储器包括：所述预先设定的时间和所述半导体开关接通的时间的比率，即半导体开关占空比；以及在所述初始驱动时间期间所述半导体开关的接通和断开反复的通断反复次数，在所述半导体开关反复接通和断开的期间，所述控制部根据是否满足执行所述软跳闸功能的条件来增加或减少所述半导体开关占空比和所述通断反复次数中的至少一个。

13、在一实施例中，其特征在于，还设置存储器，所述存储器包括：所述预先设定的时间和所述半导体开关接通的时间的比率，即半导体开关占空比；以及在所述初始驱动时间期间所述半导体开关的接通和断开反复的通断反复次数，所述控制部计算因所述电力系统和负载的初始连接而产生的浪涌电流的特性，根据计算出的浪涌电流的特性来增加或减少所述半导体开关占空比和所述通断反复次数中的至少一个。

14、在一实施例中，其特征在于，所述浪涌电流的特性包括在所述电力系统和负载的初始连接时在所述半导体断路器检测的电流大小随时间的变化量或电流测量值的统计计算值中的任意一个。

15、在一实施例中，其特征在于，所述电力系统和所述负载为直流电源系统和直流电源负载。

16、另外，在本发明的所述半导体断路器的控制方法中，其特征在于，包括：如果所述半导体断路器接通，则通过接通所述半导体开关来初始连接所述电力系统和负载的步骤；以及在预先设定的初始驱动时间期间，反复所述半导体开关的断开和接通，使得因所述电力系统和负载的初始连接而产生的浪涌电流的大小逐渐降低的步骤。

17、在一实施例中，其特征在于，所述预先设定的初始驱动时间为仅限在所述半导体断路器内的电流电平达到执行所述半导体开关所内置的跳闸(trip)功能的第一电流电平的情况下，执行硬跳闸功能的时间。

18、在一实施例中，其特征在于，反复所述半导体开关的断开和接通的步骤为在所述初始驱动时间期间，所述断开和接通以预先设定的时间为周期反复的步骤，反复所述半导体开关的断开和接通的步骤为在所述初始驱动时间期间，在所述半导体断路器内的电流电平达到执行软跳闸功能的第二电流电平的情况下，限制所述软跳闸功能的执行的步骤。

19、在一实施例中，其特征在于，所述半导体开关的断开和接通是，通过根据在半导体开关进行一次断开和接通的一周期期间所述半导体开关接通的时间的比率，即半导体开关占空比以及根据所述半导体开关的接通和断开反复的通断反复次数来向所述半导体开关的栅极端子施加的栅极电压信号来形成，初始连接所述系统和负载的步骤还包括根据预先设定的所述半导体占空比和周期以及所述初始驱动时间来生成所述栅极电压信号的步骤。

20、在一实施例中，其特征在于，反复所述半导体开关的断开和接通的步骤包括：确认所述半导体断路器内的电流电平是否满足软跳闸功能的执行条件的步骤；减小满足所述软跳闸功能的执行条件所述半导体开关占空比的步骤；以及在未满足所述软跳闸功能的执行条件的情况下，增加所述半导体开关占空比的步骤。

21、在一实施例中，其特征在于，反复所述半导体开关的断开和接通的步骤还包括：确认所述半导体断路器内的电流电平是否满足软跳闸功能的执行条件的步骤；在满足所述软跳闸功能的执行条件的情况下，增加所述半导体开关的通断反复次数的步骤；以及在未满足所述软跳闸功能的执行条件的情况下，减少所述半导体开关的通断反复次数的步骤。

22、在一实施例中，其特征在于，确认所述半导体断路器内的电流电平是否满足软跳闸功能的执行条件的步骤还包括：在所述半导体开关的断开和接通反复的期间，确认满足所述软跳闸功能的执行条件的次数的步骤；以及在满足所述软跳闸功能的执行条件的次数为预先设定的次数以上的情况下，通过驱动切断开关来物理分离所述电力系统和所述负载的步骤。

23、在一实施例中，其特征在于，初始连接所述系统和负载的步骤还包括：计算因所述电力系统和负载的初始连接而产生的浪涌电流的特性的步骤；以及根据计算出的浪涌电流的特性来增加或减少所述半导体开关占空比和所述通断反复次数中的至少一个的步骤。

24、在一实施例中，其特征在于，所述半导体开关占空比形成为根据每个周期来分别将半导体开关接通的时间设定为不同，并且随着半导体开关的接通和断开持续进行，在一周期内半导体开关接通的时间变长。

25、发明效果

26、以下，对本发明的半导体断路器和半导体断路器的控制方法的效果进行说明。

27、根据本发明的实施例中的至少一个，本发明的半导体断路器，在无负载状态下在电力系统和负载之间形成电路，从而当产生浪涌电流时，在将负载以硬件方式从系统切断之前，能够通过断开半导体开关来降低流入到负载的电流，并且当半导体断路器内的电流充分降低时，能够通过再次接通半导体开关来使电流流入到负载。

28、因此，本发明的半导体断路器为了消除初始启动产生的浪涌电流而无需初始充电电路，因此具有能够进一步简化半导体断路器的内部结构且进一步减小其大小的效果。

29、另外，本发明能够使用于降低所述浪涌电流的半导体开关的接通和断开比率(以下，称为半导体开关占空比)和半导体开关的接通/断开反复次数中的至少一个根据用户或半导体开关的动作状态来自动设定。

30、因此，由于半导体开关占空比和/或接通/断开反复次数可以被设定为与交流电流的脉冲宽度或脉冲周期等无关，因此本发明具有能够应用于直流(dc，direct current)电源系统和直流负载，并且能够缩短降低浪涌电流所需的时间的效果。