[發明專利]一種基于陰極短路柵控晶閘管的直流固態斷路器

有效

• 申請號: 201911098542.6
• 申請日: 2019-11-12
• 公開（公告）號: CN110808730B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 陳萬軍;許曉銳;王方洲;劉超;張波
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H03K17/04
• 分類號: H03K17/04
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 孫一峰

本發明屬于電子技術領域，具體的說涉及一種基于陰極短路柵控晶閘管的直流固態斷路器。本發明主要包括由第一直流電源(V₁)和負載(Z_L)和第一CS?MCT(T₁)構成的主回路、由第一二極管(D₁)、第二CS?MCT(T₂)和第三CS?MCT(T₃)，第一電阻(R₁)和第二電阻(R₂)，換流電容(C)，電感(L)，第三電阻(R)構成的換流回路、由霍爾電流傳感器和電壓比較器構成的監測單元和柵極控制單元。其特點是：采用具有低導通電阻、高di/dt能力的CS?MCT作為半導體開關，結合監測單元和柵極控制單元可以實現故障電流的迅速中斷。與傳統固態斷路器相比，基于CS?MCT的固態短路器具有功耗低，響應速度快的優勢。

技術領域

本發明屬于半導體技術領域，具體的說涉及一種基于陰極短路柵控晶閘管(Cathode-Short MOS-Controlled Thyristor，簡稱：CS-MCT)的高效直流固態斷路器。

背景技術

隨著經濟社會的快速發展，各類能源的需求不斷得增大。其中，電能被當作現今信息化時代的“血液”，推動著經濟與科技水平的進步。同時，用戶對電力系統提出了很多新的要求:環境友好性、安全可靠性的提升、更加優質經濟且支持用戶進行與電網的雙向互動等等。目前，基于光伏、風、電為代表的可再生清潔能源因較小的環境代價而備受矚目。為了更加充分和靈活的利用上述清潔能源以滿足負荷增長需求、減少環境污染、提高能源綜合利用效率等，直流輸(配)電網絡應運而生且迅速發展。與傳統交流輸(配)電相比:采用直流輸(配)電網絡不僅可將可再生能源與傳統能源廣域互聯,充分提高可再生能源的利用率,而且可降低線路損耗,增加傳輸容量與傳輸距離,同時解決系統同步運行的穩定性問題。

然而，由于直流輸(配)電網絡的系統阻抗小，一旦發生故障短路，電流上升快、峰值高，極容易對系統的安全性造成破壞。同時，和傳統交流輸(配)電相比，直流輸(配)電網絡缺乏電壓過零點，導致短路故障難以被有效消除。上述情況均對直流斷路器的各項性能提出較高的要求。傳統的機械式斷路器(Mechanical Circuit Breaker,MCB)在故障中斷的過程會產生電弧，導致接觸頭出現燒蝕現象，影響其工作壽命；同時，MCB相應時間較長，難以滿足直流應用下的速度要求。隨著半導體行業的發展，基于功率半導體器件的固態斷路器(Solid State Circuit Breaker，SSCB)由于具有較短的響應時間、更長的壽命和便于智能化的監控等優勢而備受關注。

然而，與MCB相比，SSCB主要的缺點就是功耗較大。由于SSCB的功耗主要來自于功率器件的導通功耗。目前主流的SSCB主要是以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)作為開關器件，但是IGBT導通時候由于發射極側反偏PN結的存在，導通壓降較大。此外，具有低導通壓降的晶閘管(SCR)也被用于SSCB應用中。但是由于晶閘管屬于流控型器件，其驅動和保護的設計較為復雜。基于SiC、GaN的寬禁帶半導體器件具有低導通功耗，但是其應用受到了器件可靠性和成本的限制。

發明內容

本發明所要解決的，就是針對上述問題，提出一種基于陰極短路柵控晶閘管(CS-MCT)的高效直流固態斷路器。由于CS-MCT內部存在陰極短路的晶閘管結構，使得CS-MCT具有較小的導通壓降。本發明就是利用驅動簡單、導通功耗低、可靠性高的硅基功率器件，并匹配以結構簡單的斷路器拓撲與驅動策略，實現了一種功耗低、響應速度快、成本低、體積小的直流固態斷路器。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：