[發(fā)明專利]一種GaN大電流自供電直流固態(tài)斷路器及直流電源系統(tǒng)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910228365.2
• 申請(qǐng)日: 2019-03-25
• 公開（公告）號(hào): CN109768531A
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 周郁明;肖彩虹
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 安徽工業(yè)大學(xué)
• 主分類號(hào): H02H7/26
• 分類號(hào): H02H7/26
• 代理公司: 安徽知問律師事務(wù)所 34134
• 代理人: 王亞軍

本發(fā)明公開了一種GaN大電流自供電直流固態(tài)斷路器及直流電源系統(tǒng)，屬于直流電源供電和配電領(lǐng)域。具體由主開關(guān)S和反激變換器C構(gòu)成，主開關(guān)S是由若干個(gè)性能參數(shù)一致的寬禁帶半導(dǎo)體材料氮化鎵制作的固體開關(guān)S₁、S₂、……、S_n并聯(lián)構(gòu)成，并且都是常通型結(jié)構(gòu)，反激變換器C是具有寬輸入電壓范圍的自激式結(jié)構(gòu)，依靠故障電路的大電流在主開關(guān)兩端產(chǎn)生的電壓來激勵(lì)工作，并輸出穩(wěn)定的電壓驅(qū)動(dòng)并聯(lián)的半導(dǎo)體固體開關(guān)同步動(dòng)作，斷開負(fù)載和直流電源，達(dá)到保護(hù)負(fù)載和電源的目的，而且斷路器在傳遞正常電流和斷開負(fù)載的過程無需外電源供電。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及直流電源供電和配電領(lǐng)域，更具體地說，涉及一種GaN大電流自供電直流固態(tài)斷路器及直流電源系統(tǒng)。

背景技術(shù)

最近，光伏發(fā)電、儲(chǔ)能電池、燃料電池和其它的分布式發(fā)電等直流電源吸引了越來越多的注意，在工業(yè)、商業(yè)和居民區(qū)環(huán)境，IT設(shè)備、LED路燈和可調(diào)速電機(jī)驅(qū)動(dòng)等依靠直流電源供電的電子負(fù)載的數(shù)量成倍增加，在艦艇、飛機(jī)、通信系統(tǒng)、電動(dòng)汽車充電站和數(shù)據(jù)中心，直流電源在減少AC/DC轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)、降低成本、提高效率和可靠性等方面變得越來越有吸引力。然而，短路保護(hù)仍舊是直流電源系統(tǒng)應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)障礙，傳統(tǒng)的塑殼式機(jī)械斷路器具有可靠性高、開斷能力強(qiáng)、通態(tài)損耗小等優(yōu)點(diǎn)，但也有動(dòng)作速度慢、動(dòng)作一致性差，且在動(dòng)作過程中常有電弧產(chǎn)生、易損毀觸頭、使用壽命短等缺點(diǎn)。基于半導(dǎo)體材料硅的固態(tài)斷路器，利用現(xiàn)代大功率電力電子技術(shù)，在動(dòng)作速度上具有較大的優(yōu)勢(shì)，這些斷路器依靠電流傳感器探測(cè)短路故障產(chǎn)生的過電流，控制單元處理過電流信號(hào)來決定是否關(guān)斷主開關(guān)，但具有容量有限、過載能力差、正常工作時(shí)損耗大、不能完全開斷隔離電路等缺點(diǎn)?；旌现绷鲾嗦菲骼^承了機(jī)械斷路器通態(tài)損耗低以及固態(tài)斷路器開斷迅速的特點(diǎn)，成為目前斷路器研究的主要方向。

隨著寬禁帶半導(dǎo)體器件技術(shù)的進(jìn)步，基于半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)的斷路器引起了人們的注意。SiC單極器件，像靜電感應(yīng)晶體管(SIT)、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管(JFET)和金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)等具有非常寬的安全工作區(qū)，在靜態(tài)和瞬態(tài)條件下，相比Si器件而言，寬禁帶半導(dǎo)體材料制備的器件具有更低的通態(tài)電阻、更高的熱導(dǎo)率，并能承受更高的工作結(jié)溫。美國專利US2015/0280417A1提出了一種自供電的直流固態(tài)斷路器，由常通型寬禁帶半導(dǎo)體材料制備的固體開關(guān)、DC/DC變換器、若干電阻、二極管、避雷器、電容器等構(gòu)成，依靠半導(dǎo)體固體開關(guān)、DC/DC變換器和二極管的配置結(jié)構(gòu)和形式，斷流器能工作在單向、雙向等兩種直流電源形式。該專利是依靠和半導(dǎo)體固體開關(guān)并聯(lián)的第一電阻和第二電阻提取故障信號(hào)，并且是單個(gè)半導(dǎo)體固體開關(guān)傳遞電流，在半導(dǎo)體固體開關(guān)關(guān)斷后回路的能量依靠避雷器耗散，因而容量難以做大。

發(fā)明內(nèi)容

1.要解決的技術(shù)問題

針對(duì)現(xiàn)有采用半導(dǎo)體固體開關(guān)作為主開關(guān)的直流斷流器存在容量有限、配置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)，提出一種GaN大電流自供電直流固態(tài)斷路器及直流電源系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)不但能夠大幅度提高斷路器的容量，而且能簡(jiǎn)化斷路器的結(jié)構(gòu)，提高斷路器的可靠性。

2.技術(shù)方案

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)。

一種GaN大電流自供電直流固態(tài)斷路器，包括，主開關(guān)和反激變換器，主開關(guān)和反激變換器并聯(lián)，主開關(guān)由若干寬禁帶GaN半導(dǎo)體固體開關(guān)并聯(lián)構(gòu)成。正常狀態(tài)下主開關(guān)在直流電源和負(fù)載之間，起到傳遞電流的功能，故障狀態(tài)下反激變換器工作驅(qū)使主開關(guān)斷開直流電源和負(fù)載，起到保護(hù)電源和負(fù)載的功能。

優(yōu)選地，主開關(guān)和反激變換器的連接關(guān)系如下，