[發明專利]基于陰極短路柵控晶閘管的隔離型雙向直流固態斷路器

有效

• 申請號: 202011145187.6
• 申請日: 2020-10-23
• 公開（公告）號: CN112311366B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 陳萬軍;張舒逸;許曉銳;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，具體的說涉及基于陰極短路柵控晶閘管的隔離型雙向直流固態斷路器。本發明包括主回路、保護回路、監測單元和柵極控制單元。其中，主回路包括第一直流電源Vsubgt;1/subgt;和第二直流電源Vsubgt;2/subgt;、第一CS?MCT和第二CS?MCT、第一二極管(Dsubgt;1/subgt;)和第二二極管、變壓器第一次級線圈和第二次級線圈；保護回路包括第三CS?MCT、第一電阻和第二電阻、電容、變壓器原線圈；監測單元包括霍爾電流傳感器和電壓比較器。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，引入變壓器來隔離保護回路和主回路，同時結合監測單元和柵極控制單元來實現故障電流的迅速中斷。與傳統固態斷路器相比，不僅可以中斷雙向電流，還具有功耗低、可靠性高、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)的隔離型雙向直流固態斷路器。

背景技術

隨著經濟的發展和科技的進步，人們對電能的需求與日俱增，為滿足不斷增長的用電需求以及對供電質量不斷提高的要求，直流供配電系統逐漸興起和發展。與傳統的交流配電相比，直流供配電具有線路損耗低、可靠性高等特點，并且可以充分發揮風力、太陽能等可再生能源的價值，在提高供電的效率的同時，也能達到保護環境的效果。如今，直流配電系統在如艦船、航空等領域取得初步應用，在商業、工業和住宅建筑中也受到廣泛關注，同時，在數據中心等關鍵性負載領域中，直流配電系統也具有廣泛的應用前景。

但如何使直流配電具有有效的短路保護措施仍具有研究價值。這是由于直流配電網絡的阻抗小，一旦發生故障短路，電流上升很快，極容易對系統的安全性造成破壞。同時，和傳統的交流配電相比，直流配電系統無電壓過零點，短路故障難以被有效消除。斷路器是輸配電線路中接通和斷開負載的一個關鍵器件，其主要功能是在系統發生故障時迅速有效地將故障支路從系統中切除，從而保證系統的安全可靠工作。對于傳統的交流配電系統，往往采用傳統的機械式斷路器(Mechanical?Circuit?Breaker,MCB)。但由于MCB具有響應速度慢、工作時會產生電弧等弊端，而且在直流配電的短路故障中產生的高脈沖電流會使MCB工作狀態不可控甚至損壞，因此傳統的MCB難以滿足直流配電中保護系統的需求。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)應運而生，相對于傳統的MCB，其響應時間短、壽命長、無電弧且可靠性更高，因此SSCB應用于直流配電系統有很大的優勢及潛力。

但由于功率半導體器件在工作過程中存在開關損耗和導通損耗，因此相對于MCB中的機械式開關，SSCB中功率半導體器件帶來的損耗較高。功率半導體器件中，功率晶閘管(SCR)具有較低的導通壓降，但由于其是半控型器件，晶閘管開啟后不能有效關斷，因此需要較為復雜的電路設計。應用較為廣泛的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是全控型器件，但由于其器件結構的限制，導通壓降較大。此外，碳化硅(SiC)功率器件的導通損耗較低，但其應用受到成本的限制。在電路結構方面，目前斷路器大多為單向結構，難以滿足日益發展的直流配電網絡的需要(申請號：201510858644.9)。而一些雙向斷路器則存在電路結構復雜、驅動控制困難等特點(申請號：201610630952.0)。同時，由于現有的一些雙向斷路器沒有把換流回路和主回路電流隔離開(申請號：201911098557.2)，導致在消除故障時會產生一個較大的浪涌電流，并影響主回路，容易使源端和負載端的器件過流，從而導致器件性能退化甚至損壞，可靠性低。

發明內容