本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于SiC MOSFET的固態(tài)直流斷路器及其控制方法。

背景技術(shù)：

在高壓直流輸電中，高壓直流斷路器(HVDC breaker)起到切斷過(guò)載或短路電流的作用，對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行起著重要作用。目前，直流斷路器分為機(jī)械式直流斷路器、全固態(tài)直流斷路器以及機(jī)械-固態(tài)混合式直流斷路器。

近年來(lái)，第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)以其相較于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料硅(Si)3倍的禁帶寬度，3倍的熱導(dǎo)率，10倍的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，更高的載流子飽和漂移速度等優(yōu)點(diǎn)，成為制造功率半導(dǎo)體器件的熱門(mén)材料?；赟iC材料的功率半導(dǎo)體材料也相繼問(wèn)世，目前，1.2kV、1.7kV的JFET、MOSFET已經(jīng)商業(yè)化，10kV SiC MOSFET,15kV SiC IGBT也已經(jīng)研制成功，為將來(lái)的高壓直流斷路器應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

在全固態(tài)直流斷路器以及機(jī)械-固態(tài)混合式中，由半導(dǎo)體器件級(jí)聯(lián)的固態(tài)斷路器部分是整個(gè)斷路器系統(tǒng)的核心。目前，在斷路器應(yīng)用中，為了滿足高電壓關(guān)斷能力的要求，需要半導(dǎo)體器件級(jí)聯(lián)使用且器件級(jí)聯(lián)數(shù)目較多。多器件級(jí)聯(lián)給高位浮地器件的驅(qū)動(dòng)帶來(lái)了困難，需要重新設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)以降低斷路器成本，提高斷路器可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種基于SiC MOSFET的固態(tài)直流斷路器及其控制方法，該斷路器及其控制方法成本低，可靠性較高。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述基于SiC MOSFET的固態(tài)直流斷路器包括SiC直流固態(tài)斷路器、第一功率端子、第二功率端子、混合開(kāi)關(guān)及控制系統(tǒng)，SiC直流固態(tài)斷路器包括阻尼支路、換流支路及高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)，第一功率端子依次經(jīng)阻尼支路、高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)及換流支路與第二功率端子相連接，混合開(kāi)關(guān)的兩端分別與第一功率端子及第二功率端子相連接，控制系統(tǒng)的輸出端與換流支路的控制端及混合開(kāi)關(guān)的控制端相連接；

所述高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)包括門(mén)極驅(qū)動(dòng)器、n個(gè)電阻、n個(gè)電容及n個(gè)第一MOS管；

門(mén)極驅(qū)動(dòng)器的控制端與控制系統(tǒng)相連接，門(mén)極驅(qū)動(dòng)器輸出端的負(fù)極與第一個(gè)電容、換流支路、第一個(gè)第一MOS管的源極及第一個(gè)電阻相連接，各電阻依次串聯(lián)連接，各電容依次串聯(lián)連接，阻尼支路與第n個(gè)電容、第n個(gè)電阻及第n個(gè)第一MOS管的漏極相連接，前一個(gè)第一MOS管的漏極與后一個(gè)第一MOS管的源極相連接，第i個(gè)電容與第i-1個(gè)電容之間的線路與第i個(gè)第一MOS管的柵極相連接，第一個(gè)第一MOS管的柵極與門(mén)極驅(qū)動(dòng)器輸出端的正極相連接，其中，2≤i≤n，n為大于等于2的正整數(shù)。

SiC直流固態(tài)斷路器還包括能量吸收系統(tǒng)，其中，能量吸收系統(tǒng)的兩端分別與高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)的兩端相連接。

混合開(kāi)關(guān)包括機(jī)械開(kāi)關(guān)及第二MOS管，其中，機(jī)械開(kāi)關(guān)的一端與第一功率端子相連接，機(jī)械開(kāi)關(guān)的另一端與第二MOS管的漏極相連接，第二MOS管的源極與第二功率端子相連接，第二MOS管的柵極與控制系統(tǒng)的輸出端相連接。

能量吸收系統(tǒng)為避雷器。

阻尼支路為阻尼電阻。

換流支路為第三MOS管，其中，第三MOS管的漏極與高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)相連接，第三MOS管的源極與第二功率端子相連接，第三MOS管的柵極與控制系統(tǒng)相連接。

本發(fā)明所述的基于SiC MOSFET的固態(tài)直流斷路器的控制方法，將第一功率端子與第二功率端子與線路或者設(shè)備相連接，包括以下步驟：

當(dāng)線路或設(shè)備處于正常工作狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)控制換流支路斷開(kāi)，并控制混合開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，電流流過(guò)混合開(kāi)關(guān)；當(dāng)線路或設(shè)備發(fā)生短路故障時(shí)，控制系統(tǒng)控制換流支路導(dǎo)通，再控制混合開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，電流依次流經(jīng)阻尼支路、高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)及換流支路，待電流完全轉(zhuǎn)移完成后，關(guān)斷混合開(kāi)關(guān)承受SiC直流固態(tài)斷路器導(dǎo)通壓降的直流電壓，然后控制系統(tǒng)控制高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)關(guān)斷，短路能量被能量吸收系統(tǒng)吸收，通過(guò)阻尼支路防止高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)關(guān)斷過(guò)程中的電壓震蕩，當(dāng)高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)完全關(guān)斷后，短路故障被切除，高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)承受直流母線電壓。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明所述的基于SiC MOSFET的固態(tài)直流斷路器及其控制方法在具體操作時(shí)，第一MOS管的驅(qū)動(dòng)不再是傳統(tǒng)技術(shù)中每個(gè)器件都需要專(zhuān)用的驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)形式，而是采用電容耦合方式驅(qū)動(dòng)，其中，第一個(gè)電容作為第二個(gè)第一MOS管的驅(qū)動(dòng)電容，第n-1個(gè)電容作為第n個(gè)第一MOS管的驅(qū)動(dòng)電容。同時(shí)，各電容還起著瞬態(tài)均壓作用，第一個(gè)電容作為第一個(gè)第一MOS管的瞬態(tài)均壓電容，第n個(gè)電容作為第n個(gè)第一MOS管的瞬態(tài)均壓電容；各第一MOS管的靜態(tài)均壓由靜態(tài)均壓電阻實(shí)現(xiàn)，第一MOS管不再需要傳統(tǒng)的RCD緩沖電路便可實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜態(tài)均壓，使得斷路器的成本大大降低，可靠性得到大幅提高。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為發(fā)明中高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)2的電路圖；

圖3為本發(fā)明中混合開(kāi)關(guān)5的電路圖。

其中，1為阻尼支路、2為高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)、3為能量吸收系統(tǒng)、4為換流支路、5為混合開(kāi)關(guān)、6為控制系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參考圖1及圖2，本發(fā)明所述的基于SiC MOSFET的固態(tài)直流斷路器包括SiC直流固態(tài)斷路器、第一功率端子A、第二功率端子B、混合開(kāi)關(guān)5及控制系統(tǒng)6，SiC直流固態(tài)斷路器包括阻尼支路1、換流支路4及高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)2，第一功率端子A依次經(jīng)阻尼支路1、高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)2及換流支路4與第二功率端子B相連接，混合開(kāi)關(guān)5的兩端分別與第一功率端子A及第二功率端子B相連接，控制系統(tǒng)6的輸出端與換流支路4的控制端及混合開(kāi)關(guān)5的控制端相連接；所述高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)2包括門(mén)極驅(qū)動(dòng)器、n個(gè)電阻、n個(gè)電容及n個(gè)第一MOS管；門(mén)極驅(qū)動(dòng)器的控制端與控制系統(tǒng)6相連接，門(mén)極驅(qū)動(dòng)器輸出端的負(fù)極與第一個(gè)電容、換流支路4、第一個(gè)第一MOS管的源極及第一個(gè)電阻相連接，各電阻依次串聯(lián)連接，各電容依次串聯(lián)連接，阻尼支路1與第n個(gè)電容、第n個(gè)電阻及第n個(gè)第一MOS管的漏極相連接，前一個(gè)第一MOS管的漏極與后一個(gè)第一MOS管的源極相連接，第i個(gè)電容與第i-1個(gè)電容之間的線路與第i個(gè)第一MOS管的柵極相連接，第一個(gè)第一MOS管的柵極與門(mén)極驅(qū)動(dòng)器輸出端的正極相連接，其中，2≤i≤n，n為大于等于2的正整數(shù)。

SiC直流固態(tài)斷路器還包括能量吸收系統(tǒng)3，其中，能量吸收系統(tǒng)3的兩端分別與高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)2的兩端相連接；能量吸收系統(tǒng)3為避雷器。

混合開(kāi)關(guān)5包括機(jī)械開(kāi)關(guān)K及第二MOS管M，其中，機(jī)械開(kāi)關(guān)K的一端與第一功率端子A相連接，機(jī)械開(kāi)關(guān)K的另一端與第二MOS管M的漏極相連接，第二MOS管M的源極與第二功率端子B相連接，第二MOS管M的柵極與控制系統(tǒng)6的輸出端相連接。

阻尼支路1為阻尼電阻。

換流支路4為第三MOS管，其中，第三MOS管的漏極與高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)2相連接，第三MOS管的源極與第二功率端子B相連接，第三MOS管的柵極與控制系統(tǒng)6相連接。

本發(fā)明所述的基于SiC MOSFET的固態(tài)直流斷路器的控制方法在操作時(shí)，將第一功率端子A與第二功率端子B與線路或者設(shè)備相連接，包括以下步驟：

當(dāng)線路或設(shè)備處于正常工作狀態(tài)時(shí)，控制系統(tǒng)6控制換流支路4斷開(kāi)，并控制混合開(kāi)關(guān)5導(dǎo)通，電流流過(guò)混合開(kāi)關(guān)5；當(dāng)線路或設(shè)備發(fā)生短路故障時(shí)，控制系統(tǒng)6控制換流支路4導(dǎo)通，再控制混合開(kāi)關(guān)5斷開(kāi)，電流依次流經(jīng)阻尼支路1、高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)2及換流支路4，待電流完全轉(zhuǎn)移完成后，關(guān)斷混合開(kāi)關(guān)5承受SiC直流固態(tài)斷路器導(dǎo)通壓降的直流電壓，然后控制系統(tǒng)6控制高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)2關(guān)斷，短路能量被能量吸收系統(tǒng)3吸收，通過(guò)阻尼支路1防止高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)2關(guān)斷過(guò)程中的電壓震蕩，當(dāng)高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)2完全關(guān)斷后，短路故障被切除，高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)2承受直流母線電壓。

本發(fā)明以SiC直流固態(tài)斷路器作為斷路器的主體，第一功率端子A及第二功率端子B連接于輸電線路的主回路中切斷短路電流，混合開(kāi)關(guān)5與SiC直流固態(tài)斷路器并聯(lián)，降低斷路器的導(dǎo)通損耗。

為了提高斷路器的電壓等級(jí)，若干第一MOS管級(jí)聯(lián)組成高壓SiC MOSFET開(kāi)關(guān)2，第一MOS管級(jí)聯(lián)的數(shù)目n由工作電壓決定；當(dāng)工作電壓為V₁，每個(gè)第一MOS管的耐壓為V₂，第一MOS管的數(shù)目n應(yīng)該滿足

換流支路4由第三MOS管組成，在混合開(kāi)關(guān)5處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)，沒(méi)有電流流過(guò)SiC直流固態(tài)斷路器；在短路故障出現(xiàn)時(shí)，換流支路4先導(dǎo)通，為電流轉(zhuǎn)移做好準(zhǔn)備。

阻尼支路1由阻尼電阻組成，其作用是為了防止斷路器關(guān)斷過(guò)程中發(fā)生諧振，影響各第一MOS管驅(qū)動(dòng)的安全工作，阻尼電阻的阻值與線路的限流電抗、第一MOS管的輸出電容、所加驅(qū)動(dòng)電容、能量吸收系統(tǒng)3的寄生電容有關(guān)。

如圖3所示，混合開(kāi)關(guān)5為由機(jī)械開(kāi)關(guān)K及第三MOS管組成，機(jī)械開(kāi)關(guān)K承受斷路器處于關(guān)斷狀態(tài)的斷口電壓。第三MOS管的作用為當(dāng)SiC MOSFET處于導(dǎo)通時(shí)，控制系統(tǒng)6控制其斷開(kāi)，從而使短路電流完全流過(guò)SiC直流固態(tài)開(kāi)關(guān)。