[發明專利]一種SiC大電流自供電直流固態斷路器及直流電源系統

在審

• 申請號: 201910228376.0
• 申請日: 2019-03-25
• 公開（公告）號: CN109768532A
• 公開（公告）日: 2019-05-17
• 發明（設計）人: 馬小三;周郁明
• 申請（專利權）人: 安徽工業大學
• 主分類號: H02H7/26
• 分類號: H02H7/26
• 代理公司: 安徽知問律師事務所 34134
• 代理人: 王亞軍

本發明公開了一種SiC大電流自供電直流固態斷路器及直流電源系統，屬于直流電源供電和配電領域。具體由主開關S和反激變換器C構成，主開關S是由若干個性能參數一致的寬禁帶半導體材料碳化硅制作的固體開關S₁、S₂、……、S_n并聯構成，并且都是常通型結構，反激變換器C是具有寬輸入電壓范圍的自激式結構，依靠故障電路的大電流在主開關兩端產生的電壓來激勵工作，并輸出穩定的電壓驅動并聯的半導體固體開關同步動作，斷開負載和直流電源，達到保護負載和電源的目的，而且斷路器在傳遞正常電流和斷開負載的過程無需外電源供電。

技術領域

本發明涉及直流電源供電和配電領域，更具體地說，涉及一種SiC大電流自供電直流固態斷路器及直流電源系統。

背景技術

最近，光伏發電、儲能電池、燃料電池和其它的分布式發電等直流電源吸引了越來越多的注意，在工業、商業和居民區環境，IT設備、LED路燈和可調速電機驅動等依靠直流電源供電的電子負載的數量成倍增加，在艦艇、飛機、通信系統、電動汽車充電站和數據中心，直流電源在減少AC/DC轉換環節、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，短路保護仍舊是直流電源系統應用中的一個關鍵技術障礙，傳統的塑殼式機械斷路器具有可靠性高、開斷能力強、通態損耗小等優點，但也有動作速度慢、動作一致性差，且在動作過程中常有電弧產生、易損毀觸頭、使用壽命短等缺點。基于半導體材料硅的固態斷路器，利用現代大功率電力電子技術，在動作速度上具有較大的優勢，這些斷路器依靠電流傳感器探測短路故障產生的過電流，控制單元處理過電流信號來決定是否關斷主開關，但具有容量有限、過載能力差、正常工作時損耗大、不能完全開斷隔離電路等缺點。混合直流斷路器繼承了機械斷路器通態損耗低以及固態斷路器開斷迅速的特點，成為目前斷路器研究的主要方向。

隨著寬禁帶半導體器件技術的進步，基于半導體材料碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)的斷路器引起了人們的注意。SiC單極器件，像靜電感應晶體管(SIT)、結型場效應晶體管(JFET)和金屬-氧化物-半導體場效應晶體管(MOSFET)等具有非常寬的安全工作區，在靜態和瞬態條件下，相比Si器件而言，寬禁帶半導體材料制備的器件具有更低的通態電阻、更高的熱導率，并能承受更高的工作結溫。美國專利US2015/0280417A1提出了一種自供電的直流固態斷路器，由常通型寬禁帶半導體材料制備的固體開關、DC/DC變換器、若干電阻、二極管、避雷器、電容器等構成，依靠半導體固體開關、DC/DC變換器和二極管的配置結構和形式，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體固體開關并聯的第一電阻和第二電阻提取故障信號，并且是單個半導體固體開關傳遞電流，在半導體固體開關關斷后回路的能量依靠避雷器耗散，因而容量難以做大。

發明內容

1.要解決的技術問題

針對現有采用半導體固體開關作為主開關的直流斷流器存在容量有限、配置結構復雜、成本高等缺點，提出一種SiC大電流自供電直流固態斷路器及直流電源系統。該結構不但能夠大幅度提高斷路器的容量，而且能簡化斷路器的結構，提高斷路器的可靠性。

2.技術方案

本發明的目的通過以下技術方案實現。

一種SiC大電流自供電直流固態斷路器，包括，主開關和反激變換器，主開關和反激變換器并聯，主開關由若干寬禁帶SiC半導體固體開關并聯構成。正常狀態下主開關在直流電源和負載之間，起到傳遞電流的功能，故障狀態下反激變換器工作驅使主開關斷開直流電源和負載，起到保護電源和負載的功能。

優選地，主開關和反激變換器的連接關系如下，