一種固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，包括：功率器件開關(guān)單元，連接于一主電路系統(tǒng)中，用于實現(xiàn)主電路的通斷功能；智能檢測及保護單元，包括近端短路保護模塊和遠端短路保護模塊，用以檢測到發(fā)生近端短路或遠端短路時向功率器件開關(guān)單元發(fā)出一關(guān)斷信號；緩沖電路單元，連接于功率器件開關(guān)單元的兩端，用于吸收短路關(guān)斷時功率器件開關(guān)單元關(guān)斷時兩側(cè)產(chǎn)生的過壓。以上從近端短路保護、遠端短路保護、過壓保護等三個方面提出了相應(yīng)的解決方法，保證了固態(tài)開關(guān)在不同短路工況下能完成安全可靠的關(guān)斷，同時保證了固態(tài)開關(guān)在強電磁干擾的環(huán)境中不發(fā)生誤動，具有很好的可靠性，能夠有效地實現(xiàn)固態(tài)開關(guān)的短路保護。
【專利說明】
一種固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種短路保護裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電力系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代電力系統(tǒng)面臨一系列新的矛盾和問題。分布式能源的大量接入，微網(wǎng)的大量出現(xiàn)，對開關(guān)的動作速度提出了越來越高的要求。傳統(tǒng)的機械開關(guān)動作速度慢，滅弧困難，在超快速負荷開關(guān)，限流斷路器，無縫切換開關(guān)等對開關(guān)速度要求較高的場合，已經(jīng)越來越難以適應(yīng)。固態(tài)開關(guān)用電力電子器件替代了傳統(tǒng)的機械式開關(guān)，是利用電力電子器件作為開關(guān)組件的無觸點開關(guān)裝置，具有開斷速度快，無聲響，無電弧，壽命長等優(yōu)點，然而以IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)為代表的電力電子器件應(yīng)用于固態(tài)開關(guān)領(lǐng)域，存在涌流能力差及耐壓能力差等問題，由于上述缺陷，使得固態(tài)開關(guān)在短路發(fā)生時不能進行有效地保護，易于發(fā)生損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)的固態(tài)開關(guān)在短路發(fā)生時不能進行有效保護的缺陷；
[0004]具體技術(shù)方案如下:
[0005]—種固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，其中，包括:
[0006]功率器件開關(guān)單元，連接于一主電路系統(tǒng)中，用于實現(xiàn)主電路的通斷功能；
[0007]智能檢測及保護單元，包括一近端短路保護模塊和一遠端短路保護模塊，用以檢測到所述功率器件開關(guān)單元發(fā)生近端短路或遠端短路時向所述功率器件開關(guān)單元發(fā)出一關(guān)斷信號；
[0008]緩沖電路單元，連接于所述功率器件開關(guān)單元的兩端，用于吸收短路關(guān)斷時所述功率器件開關(guān)單元關(guān)斷時兩側(cè)產(chǎn)生的過壓。
[0009]上述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，所述近端短路保護模塊包括，
[0010]—二極管，所述二極管連接于一參考C點和一飽和壓降檢測點之間，所述參考C點與所述二極管的陰極連接；
[0011 ] 一防干擾電路，連接于所述二極管和所述飽和壓降檢測點之間，用于抑制所述參考C點的高頻干擾信號對所述飽和壓降檢測點的影響，所述參考C點自所述功率器件開關(guān)單元引出。
[0012]上述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，所述防干擾電路包括:
[0013]一穩(wěn)壓管，連接于所述飽和壓降檢測點與一VE點之間；
[0014]— RC濾波電路，由一并聯(lián)于所述穩(wěn)壓管兩端的第三電容和串聯(lián)于所述參考C點和所述飽和壓降檢測點之間的第四電阻組成。
[0015]上述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，所述遠端短路保護模塊包括:
[0016]電流傳感器，連接于所述功率器件開關(guān)單元所在的電路支路中，用于感測流經(jīng)所述功率器件開關(guān)單元的電流信號；
[0017]調(diào)理電路，與所述電流傳感器連接，用于將所述電流傳感器檢測到的電流信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流采樣值；
[0018]比較電路，與所述調(diào)理電路連接，用于依據(jù)所述電流采樣值的電流幅值和/或所述電流采樣值的上升率判斷是否有短路發(fā)生；
[0019]CPLD控制器，與所述比較電路連接，依據(jù)所述比較電路的比較結(jié)果產(chǎn)生執(zhí)行計時及計算，以產(chǎn)生所述關(guān)斷信號。
[0020]上述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，所述比較電路包括:
[0021]第一比較器，用于對所述電流采樣值與一第一閾值進行比較，并于所述電流采樣值大于所述第一閾值時產(chǎn)生一高電平信號以驅(qū)動所述CPLD控制器開始計時；
[0022]第二比較器，用于對所述電流采樣值與一大于所述第一閾值的第二閾值進行比較，并于所述電流采樣值大于所述第二閾值時產(chǎn)生一另一高電平信號以驅(qū)動所述CPLD控制器停止計時；
[0023]第三比較器，用于對所述電流采樣值與一電流保護閾值進行比較，于所述電流采樣值大于所述電流保護閾值時以驅(qū)動所述CPLD控制器開始計時。
[0024]上述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，所述比較電路還包括一閾值設(shè)置電路，用于對所述第一閾值、所述第二閾值及所述電流保護閾值進行設(shè)置。
[0025]上述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，所述緩沖電路單元包括，
[0026]壓敏電阻，連接于所述功率器件開關(guān)單元的兩端；
[0027]由第一電阻和第一電容串聯(lián)的支路，與所述壓敏電阻并聯(lián)。
[0028]上述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，所述緩沖電路單元包括，
[0029]壓敏電阻，連接于所述功率器件開關(guān)單元的兩端；
[0030]由第一電阻和第一電容串聯(lián)的支路，與所述壓敏電阻并聯(lián)；
[0031]第二二極管，并聯(lián)于所述第一電阻的兩端。
[0032]上述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，所述功率器件開關(guān)單元采用基于IGBT的反串聯(lián)結(jié)構(gòu)或基于二極管整流配合IGBT結(jié)構(gòu)或基于IGBT反并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
[0033]有益效果:以上技術(shù)方案從近端短路保護、遠端短路保護、過壓保護等三個方面提出了相應(yīng)的解決方法，保證了固態(tài)開關(guān)在不同短路工況下能完成安全可靠的關(guān)斷，同時保證了固態(tài)開關(guān)在強電磁干擾的環(huán)境中不發(fā)生誤動，具有很好的可靠性，能夠有效地實現(xiàn)固態(tài)開關(guān)的短路保護。
【附圖說明】
[0034]圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖2為本發(fā)明的近端短路保護模塊示意圖；
[0036]圖3為本發(fā)明的遠端短路保護模塊示意圖；
[0037]圖4為本發(fā)明的一種具體實施例的電路結(jié)構(gòu)不意圖；
[0038]圖5為本發(fā)明的另一種具體實施例的電路結(jié)構(gòu)不意圖；
[0039]圖6為本發(fā)明的再一種具體實施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0040]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0041]需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。
[0042]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不作為本發(fā)明的限定。
[0043]涌流能力是指電力電子器件耐受大電流的能力，固態(tài)開關(guān)在短路發(fā)生時會流過10倍額定電流以上的短路電流，而電力電子器件只能短時耐受幾倍的額定電流;在短路發(fā)生后如果不能及時關(guān)斷，會導(dǎo)致功率器件失效，開關(guān)失靈，造成嚴重的后果。耐壓能力則是指電力電子器件承受過電壓的能力，開關(guān)器件在關(guān)斷時，開關(guān)兩側(cè)會產(chǎn)生過電壓。這個過電壓大小主要由兩個因素決定，一個是線路感性阻抗的值，另外一個是關(guān)斷過程中電流的變化率。線路的感性阻抗越大，關(guān)斷過程中電流的變化率越大，過電壓就越大。電力電子器件作為開關(guān)串在線路中，線路上的感性阻抗比較大，同時由于電力電子器件關(guān)斷的速度較快，整個關(guān)斷過程中的電流變化率非常大，因此在開關(guān)關(guān)斷時會在電力電子器件兩端產(chǎn)生很高的過電壓，電力電子器件承受過電壓的能力非常弱，只需一個很短的電壓尖峰就有可能損壞器件，造成開關(guān)失效。由于電力電子器件存在的這些缺陷，固態(tài)開關(guān)在短路發(fā)生需要進行有效地保護，才能保證固態(tài)開關(guān)在關(guān)斷的同時，不會發(fā)生損壞。
[0044]參照圖1，一種固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，包括:
[0045]功率器件開關(guān)單元I，連接于一主電路系統(tǒng)中，用于實現(xiàn)主電路的通斷功能；
[0046]智能檢測及保護單元2，包括一近端短路保護模塊21和一遠端短路保護模塊22，用以檢測到功率器件開關(guān)單元I發(fā)生近端短路或遠端短路時向功率器件開關(guān)單元I發(fā)出一關(guān)斷信號；
[0047]緩沖電路單元3，連接于功率器件開關(guān)單元I的兩端，用于吸收功率器件開關(guān)單元關(guān)斷時兩側(cè)產(chǎn)生的過壓。
[0048]根據(jù)短路點距離開關(guān)距離的遠近，可以把短路分為近端短路和遠端短路。近端短路表示短路發(fā)生的點與固態(tài)開關(guān)很近，整個短路回路的線路的阻抗比較小，短路發(fā)生后電流的上升率很大，一般大于50A/US。遠端短路表示短路發(fā)生的點遠離固態(tài)開關(guān)，整個短路回路的線路阻抗比較大，短路發(fā)生后電流上升率相比于近端短路比較小，一般在幾A/us至50A/US。針對現(xiàn)有固態(tài)開關(guān)短路發(fā)生時所存在的缺陷以及短路的故障類型，本發(fā)明的智能檢測及保護單元包括遠端短路保護模塊和近端短路保護模塊，用以檢測到功率器件開關(guān)單元發(fā)生近端短路或遠端短路時向功率器件開關(guān)單元發(fā)出一關(guān)斷信號;能夠保證固態(tài)開關(guān)在不同短路工況下都能有效地進行保護。
[0049]上述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，近端短路保護模塊21可以包括:
[0050]—二極管Dl，二極管Dl連接于一參考C點和一飽和壓降檢測點DESAT之間，參考C點與二極管DI的陰極連接；
[0051]—防干擾電路211，連接于二極管Dl和飽和壓降檢測點DESAT之間，用于抑制參考C點的高頻干擾信號對飽和壓降檢測點DESAT的影響，參考C點自功率器件開關(guān)單元I引出。
[0052]上述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，防干擾電路211可以如圖2虛線框中所示，包括:
[0053]一穩(wěn)壓管ZDl，連接于飽和壓降檢測點DESAT與一VE點之間；
[0054]一 RC濾波電路，由一并聯(lián)于穩(wěn)壓管ZDl兩端的第三電容C3和串聯(lián)于參考C點和飽和壓降檢測點DESAT之間的第四電阻R4組成。
[0055]傳統(tǒng)IGBT退飽和保護中控制器通過檢測飽和壓降檢測點DESAT點的電壓來判斷短路是否發(fā)生。當短路發(fā)生時參考C點電位迅速上升，飽和壓降檢測點DESAT點的電位同時上升，當超過一定的閾值以后控制器認為發(fā)生短路，關(guān)斷脈沖進行保護。由于固態(tài)開關(guān)應(yīng)用場合電磁環(huán)境比較惡劣，固態(tài)開關(guān)正常工作時參考C點的電位也會出現(xiàn)高頻的電壓尖峰，當尖峰出現(xiàn)時，飽和壓降檢測點DESAT點的電位也隨之出現(xiàn)尖峰，控制器便誤認為短路發(fā)生而進行保護，導(dǎo)致固態(tài)開關(guān)誤動作。加入防干擾電路之后，參考C點的電壓信號通過濾波器，高頻的擾動信號被濾除，有效地抑制了參考C點高頻干擾信號對飽和壓降檢測點DESAT點電位的影響，保證了短路判斷的可靠性。同時與電容C3并聯(lián)的穩(wěn)壓管ZDl能夠穩(wěn)定飽和壓降檢測點DESAT點的電壓，防止DESAT點的電壓過高對控制器造成損害。
[0056]近端短路電流上升率大，一般的電流傳感器很難檢測出來，需要利用IGBT的退飽和特性來檢測短路的發(fā)生并進行保護。這種保護方法比較接近于傳統(tǒng)變流器中IGBT直通短路時的保護。IGBT退飽和保護的保護速度快，但比較容易受到電磁信號的干擾，相比于變流器的應(yīng)用場合，固態(tài)開關(guān)的應(yīng)用場合電磁環(huán)境更加惡劣，用傳統(tǒng)的退飽和保護方法會出現(xiàn)保護誤動作的問題。傳統(tǒng)的變流器保護，即使出現(xiàn)誤保護的問題，只會出現(xiàn)停機自檢，不會有什么惡劣的影響。但在固態(tài)開關(guān)的應(yīng)用場合，頻繁的誤動作會帶來一系列的用電問題，降低電能質(zhì)量，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定，直接影響了固態(tài)開關(guān)正常工作的可靠性。本發(fā)明針對傳統(tǒng)IGBT退飽和保護在固態(tài)開關(guān)近端短路保護上所存在的問題，提出了一種抗電磁干擾的近端短路保護方法。該方法能夠有效地解決傳統(tǒng)近端短路保護容易受到電磁干擾導(dǎo)致固態(tài)開關(guān)誤動作的問題，既能保證固態(tài)開關(guān)具有近端電流的保護能力，也能保證固態(tài)開關(guān)不誤動，保證了固態(tài)開關(guān)的可靠性。
[0057]上述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，遠端短路保護模塊22如附圖3所示，可以包括:
[0058]電流傳感器220，連接于功率器件開關(guān)單元I所在的電路支路中，用于感測流經(jīng)功率器件開關(guān)單元I的電流信號；
[0059]調(diào)理電路221，與電流傳感器220連接，用于將電流傳感器檢測到的電流信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流米樣值；
[0060]比較電路223，與調(diào)理電路221連接，用于依據(jù)電流采樣值的電流幅值和/或電流采樣值i的電流上升率判斷是否有短路發(fā)生；
[0061]CPLD控制器224，與比較電路223連接，依據(jù)比較電路223的比較結(jié)果產(chǎn)生執(zhí)行計時及計算，以產(chǎn)生關(guān)斷信號。
[0062]上述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，比較電路包括:
[0063]第一比較器，用于對電流采樣值Is與一第一閾值Il進行比較，并于電流采樣值Is大于第一閾值Il時產(chǎn)生一高電平信號以驅(qū)動CPLD控制器224開始計時；
[0064]第二比較器，用于對電流采樣值Is與一大于第一閾值Il的第二閾值Ih進行比較，并于電流采樣值Is大于第二閾值Ih時產(chǎn)生一另一高電平信號以驅(qū)動CPLD控制器224停止計時；
[0065]第三比較器，用于對電流采樣值Is與一電流保護閾值Imax進行比較，于電流采樣值I s大于電流保護閾值I.時以驅(qū)動CPLD控制器224開始計時。
[0066]上述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，比較電路還包括一閾值設(shè)置電路2231，用于對第一閾值IL、第二閾值IH及電流保護閾值I mi?進行設(shè)置。
[0067]本發(fā)明的遠端保護短路保護模塊22中電流傳感器220檢測到電流信號，通過調(diào)理電路221轉(zhuǎn)換為合適的信號后進行比較并傳入CPLD控制器224進行信號處理，CPLD控制器224經(jīng)過判斷檢測到短路發(fā)生時，向固態(tài)開關(guān)發(fā)出關(guān)斷信號完成關(guān)斷。
[0068]上述的比較電路的具體工作過程如下，當電流采樣值Is大于第一閾值Il時，比較電路223發(fā)送一路高電平信號到CPLD控制器224，同時CPLD控制器224開始計時；當電流采樣值Is大于第二閾值Ih時，比較電路223發(fā)送另一路高電平信號到CPLD控制器224，CPLD控制器224停止計時，計時的時間計為Ts ο電流上升率di/dt的計算方法為(Ih-1l)/T，其中第二閾值Ih，第一閾值Il為人為設(shè)定值，因此通過得到Ts的值可以得到一個對應(yīng)的電流上升率ks。同理通過人為設(shè)定Ta和Tb可以得到對應(yīng)的電流上升率ka和kb。當檢測的電流上升率ks滿足ka<ks<kb的條件時，也就是檢測時間Ts滿足Tb<Ts<Ta，CPLD控制器224認為發(fā)生遠端短路，向固態(tài)開關(guān)發(fā)出關(guān)斷信號，即根據(jù)電流上升率實現(xiàn)判斷遠端短路。
[0069]上述的比較電路223將電流采樣值Is與電流保護值Imax進行比較，如果電流采樣值Is大于電流保護值Imax，比較電路發(fā)送一個高電平到CPLD控制器224，同時CPLD控制器224開始計時。在計時過程中一旦出現(xiàn)電流采樣值Is小于電流保護值Imax的情況，CPLD控制器224計時立刻結(jié)束，等待下一個高電平到來再重新計數(shù)。當計時時間Ts大于設(shè)定值Tb，也就是在Tb這段時間電流采樣值Is始終大于電流保護值Imax，過流始終存在，這時候CPLD控制器224判斷遠端短路發(fā)生，向固態(tài)開關(guān)發(fā)出關(guān)斷信號。其中Tb值為人為設(shè)定，通過設(shè)置合理的Tb值可以保證速動的前提下避免外界干擾導(dǎo)致的誤動，即根據(jù)電流幅值來判斷遠端短路。
[0070]遠端短路電流上升率相對較低，電流的上升特性類似于過載的情況。傳統(tǒng)的過載保護是通過軟件實現(xiàn)的，通過電流傳感器采樣到電流信號，軟件通過判斷電流信號發(fā)出關(guān)斷指令。開關(guān)的應(yīng)用場合電磁干擾較大，電流傳感器采集出來的信號會存在毛刺很大。如果采用單點判斷，雖然能夠保證判斷的快速性，但同時也會導(dǎo)致誤判，造成開關(guān)的誤動作；如果采用多點判斷，軟件受制于信號采樣的周期時間，會導(dǎo)致整個故障判斷時間過長，短路電流上升到很大的值，造成固態(tài)開關(guān)的損害。本發(fā)明針對傳統(tǒng)過載保護應(yīng)用到固態(tài)開關(guān)的問題，提出了一種基于硬件電路的保護方法。利用硬件電路芯片CPLD控制器，可以對電流的幅值和電流的上升率進行雙重的判斷，既能保證判斷的快速性，也能保證判斷的可靠性，能夠有效地解決固態(tài)開關(guān)在遠端短路發(fā)生時的保護問題。本發(fā)明中判斷遠端短路的方法是電流上升率和電流幅值的雙重判斷。其中以電流上升率判斷為主，電流幅值判斷為輔。通過電流上升率的判斷能明顯地將遠端短路同近端短路、過載等情況區(qū)分開來。一旦無法通過電流上升率進行正確判斷，電流幅值判斷作為一種保障機制發(fā)生作用，保證固態(tài)開關(guān)在可關(guān)斷的電流下關(guān)斷。正是由于這種判斷機制，本發(fā)明的保護方法能夠有效地將電磁噪聲、過載等情況與遠端短路區(qū)別開來，保證了開關(guān)在正常工作時不誤動，保證了開關(guān)的可靠性。由于CPLD控制器是高速的硬件電路，與軟件相比不存在采樣周期的制約，檢測的速度比軟件快得多，能夠大大縮短檢測判斷的時間，可以保證固態(tài)開關(guān)在電流較低的時候完成關(guān)斷，有效地保障了固態(tài)開關(guān)在遠端短路時的安全關(guān)斷。
[0071]上述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，緩沖電路單元3可以包括電容，二極管，電阻，壓敏電阻等，能夠吸收短路關(guān)斷時開關(guān)兩側(cè)產(chǎn)生的過壓。如圖4、圖6所示，緩沖電路單元可以包括，
[0072]壓敏電阻M0V，連接于功率器件開關(guān)單元I的兩端；
[0073 ] 第一電阻Rs和第一電容Cs串聯(lián)的支路，與壓敏電阻MOV并聯(lián)。
[0074]在傳統(tǒng)的變流器場合，IGBT所在的回路感性阻抗較小，并且IGBT關(guān)斷的都是額定電流以下的電流，關(guān)斷電流較小，因此關(guān)斷時產(chǎn)生的關(guān)斷電壓較小，用簡單的C型或者RC型緩沖電路就可以抑制關(guān)斷產(chǎn)生的過電壓。但在固態(tài)開關(guān)場合，IGBT所在線路感性阻抗很大，而且在短路發(fā)生時IGBT關(guān)斷的是遠高于額定電流的短路電流，關(guān)斷電流很大。因此線路中電感儲存的能量很大，用傳統(tǒng)的緩沖電路無法充分地吸收，造成關(guān)斷過電壓的產(chǎn)生。由于IGBT的耐電壓能力非常弱，造成固態(tài)開關(guān)在關(guān)斷短路電流的過程中因為關(guān)斷電壓過高而發(fā)生損壞。本發(fā)明針對固態(tài)開關(guān)場合IGBT短路關(guān)斷過電壓較高的問題，在傳統(tǒng)的緩沖電路基礎(chǔ)上加入了壓敏電阻，用來吸收回路中感性阻抗產(chǎn)生的能量，同時結(jié)合了緩關(guān)斷的技術(shù)，保證了固態(tài)開關(guān)在關(guān)斷短路電流時的過壓保護。
[0075]上述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，緩沖電路單元還可以如圖5所示，包括一第二二極管Dsl，并聯(lián)于第一電阻Rs的兩端。IGBT關(guān)斷時，第二二極管Dsl導(dǎo)通，由于電容兩端電壓不能突變，電壓緩慢上升；當電壓超過壓敏電阻電壓時，壓敏電阻導(dǎo)通進一步吸收線路電感上的能量，并把IGBT兩端電壓限制到壓敏電阻的鉗位電壓以下，保證了整個關(guān)斷過程中IGBT兩端電壓不過壓，保證了固態(tài)開關(guān)在短路關(guān)斷過程中的安全。除了緩沖電路，本發(fā)明在關(guān)斷的過程中應(yīng)用了緩關(guān)斷的方法，通過提高IGBT關(guān)斷過程中門級的電壓，延緩了關(guān)斷短路電流時IGBT的關(guān)斷速度，能夠有效降低電流的變化率，減小關(guān)斷的過電壓。
[0076]本發(fā)明的功率器件開關(guān)單元I主要是由晶閘管，IGBT，IGCT(Integrated GateCommutated Thyristors，集成門極換流晶閘管)等電力電子器件組成，實現(xiàn)整個主電路的通斷功能。以下結(jié)合本發(fā)明的短路保護裝置用于幾種固態(tài)開關(guān)拓撲進行結(jié)合說明:
[0077]第一種具體實施例，如圖4所示，應(yīng)用于三相四線制系統(tǒng)中，其中功率器件開關(guān)單元I采用基于IGBT的反串聯(lián)結(jié)構(gòu)，能量可以雙向流動。緩沖電路單元由第一電阻Rs、第一電容Cs以及壓敏電阻MOV組成。近端短路保護模塊21的實現(xiàn)由圖2所示，遠端短路保護模塊22的實現(xiàn)由圖3所示。
[0078]當近端短路發(fā)生時，近端短路保護模塊21動作關(guān)閉IGBT。遠端短路發(fā)生時，遠端短路保護模塊22動作關(guān)閉IGBT。關(guān)斷IGBT后，電流將通過第一電阻Rs向第一電容Cs充電，因為電容電壓不能突變，所以限制了 IGBT兩端電壓的上升率，當電壓超過壓敏電阻MOV電壓時，壓敏電阻MOV導(dǎo)通吸收多余能量，防止IGBT因為過壓而擊穿。
[0079]基于IGBT的反串聯(lián)結(jié)構(gòu)包括:
[0080]第一IGBT器件IGBTl，第一IGBT器件IGBTl的集電極與發(fā)射極串接于三相四線制系統(tǒng)的一相線中；
[0081 ] 第二 IGBT器件IGBT2，第二 IGBT器件IGBT2的發(fā)射極與第一 IGBT器件IGBTl的發(fā)射極連接，與第一 IGBT器件形成一反串聯(lián)型結(jié)構(gòu)。
[0082]第二種具體實施例:如圖5所示，應(yīng)用于三相四線制系統(tǒng)中，其中功率器件開關(guān)單元I采用基于二極管整流配合IGBT結(jié)構(gòu)，能量可以雙向流動。緩沖電路單元由第一電阻Rs、第一電容Cs、第二二極管Dsl以及壓敏電阻MOV組成。緩沖電路由電阻、電容、二極管以及壓敏電阻組成。近端短路保護模塊21的實現(xiàn)由圖2所示，遠端短路保護模塊22的實現(xiàn)由圖3所不O
[0083]當近端短路發(fā)生時，近端短路保護模塊21動作關(guān)閉IGBT。遠端短路發(fā)生時，遠端短路保護模塊22動作關(guān)閉IGBT。關(guān)斷IGBT后，電流將通過第二二極管Ds向第一電容Cs充電，因為電容電壓不能突變，所以限制了IGBT兩端電壓的上升率，當電壓超過壓敏電阻MOV電壓時，壓敏電阻MOV導(dǎo)通吸收多余能量，防止IGBT因為過壓而擊穿。
[0084]基于二極管整流配合IGBT結(jié)構(gòu)包括:橋式整流電路，由二極管Dl、二極管D2、二極管D3及二極管D4組成；二極管Dl及二極管D2的陰極連接，二極管D2的陽極與二極管D3的陰極連接，二極管D3及二極管D4的陽極連接，二極管Dl的陽極與二極管D4的陰極連接；
[0085]第三IGBT器件IGBT，第三IGBT器件的集電極與二極管Dl及二極管D2的陰極連接，第三IGBT器件的發(fā)射極與二極管D3的陽極及二極管D4的陽極連接。
[0086]第三種具體實施例:如圖6所示，應(yīng)用于三相四線制系統(tǒng)中，其中功率器件開關(guān)單元I采用基于IGBT反并聯(lián)結(jié)構(gòu)，能量可以雙向流動;緩沖電路單元由第一電阻Rs、第一電容Cs以及壓敏電阻MOV組成。近端短路保護模塊21的實現(xiàn)由圖2所示，遠端短路保護模塊22的實現(xiàn)由圖3所示。
[0087]當近端短路發(fā)生時，近端短路保護模塊21動作關(guān)閉IGBT。遠端短路發(fā)生時，遠端短路保護模塊22動作關(guān)閉IGBT。關(guān)斷IGBT后，電流將通過第一電阻Rs向第一電容Cs充電，因為電容電壓不能突變，所以限制了 IGBT兩端電壓的上升率，當電壓超過壓敏電阻MOV電壓時，壓敏電阻MOV導(dǎo)通吸收多余能量，防止IGBT因為過壓而擊穿。
[0088]上述的基于IGBT反并聯(lián)結(jié)構(gòu)包括:
[0089]第四IGBT器件IGBT4，第四IGBT器件IGBT4的集電極與發(fā)射極串接于相線中；
[0090]第五IGBT器件IGBT5，與第四IGBT器件IGBT4反并聯(lián)，第四IGBT器件IGBT4的發(fā)射極與第五IGBT器件IGBT5的集電極連接，第四IGBT器件的集電極與第五IGBT器件的發(fā)射極連接。
[0091]本發(fā)明能夠有效地抑制電磁干擾對近端短路檢測的干擾，保證了固態(tài)開關(guān)在正常工況情況下能順利運行，大大提高了固態(tài)開關(guān)的可靠性。采用用硬件電路實現(xiàn)的遠端短路保護方法，能夠兼顧保護的快速性和可靠性，大大提高了固態(tài)開關(guān)遠端短路保護的性能。并提出了一種在緩沖電路上加入壓敏電阻，并采用緩關(guān)斷的方法，能夠有效地抑制固態(tài)開關(guān)在短路關(guān)斷時產(chǎn)生的過電壓，提高了固態(tài)開關(guān)短路關(guān)斷的可靠性，保證了固態(tài)開關(guān)短路關(guān)斷時的安全。
[0092]以上僅為本發(fā)明較佳的實施例，并非因此限制本發(fā)明的實施方式及保護范圍，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，應(yīng)當能夠意識到凡運用本發(fā)明說明書及圖示內(nèi)容所作出的等同替換和顯而易見的變化所得到的方案，均應(yīng)當包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，其特征在于，包括: 功率器件開關(guān)單元，連接于一主電路系統(tǒng)中，用于實現(xiàn)主電路的通斷功能； 智能檢測及保護單元，包括一近端短路保護模塊和一遠端短路保護模塊，用以檢測到所述功率器件開關(guān)單元發(fā)生近端短路或遠端短路時向所述功率器件開關(guān)單元發(fā)出一關(guān)斷信號； 緩沖電路單元，連接于所述功率器件開關(guān)單元的兩端，用于吸收短路關(guān)斷時所述功率器件開關(guān)單元關(guān)斷時兩側(cè)產(chǎn)生的過壓。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，其特征在于，所述近端短路保護模塊包括， 一二極管，所述二極管連接于一參考C點和一飽和壓降檢測點之間，所述參考C點與所述二極管的陰極連接； 一防干擾電路，連接于所述二極管和所述飽和壓降檢測點之間，用于抑制所述參考C點的高頻干擾信號對所述飽和壓降檢測點的影響，所述參考C點自所述功率器件開關(guān)單元引出。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，其特征在于，所述防干擾電路包括: 一穩(wěn)壓管，連接于所述飽和壓降檢測點與一 VE點之間； 一 RC濾波電路，由一并聯(lián)于所述穩(wěn)壓管兩端的第三電容和串聯(lián)于所述參考C點和所述飽和壓降檢測點之間的第四電阻組成。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，其特征在于，所述遠端短路保護模塊包括: 電流傳感器，連接于所述功率器件開關(guān)單元所在的電路支路中，用于感測流經(jīng)所述功率器件開關(guān)單元的電流信號； 調(diào)理電路，與所述電流傳感器連接，用于將所述電流傳感器檢測到的電流信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電流米樣值； 比較電路，與所述調(diào)理電路連接，用于依據(jù)所述電流采樣值的電流幅值和/或所述電流采樣值的上升率判斷是否有短路發(fā)生； CPLD控制器，與所述比較電路連接，依據(jù)所述比較電路的比較結(jié)果產(chǎn)生執(zhí)行計時及計算，以產(chǎn)生所述關(guān)斷信號。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，其特征在于，所述比較電路包括: 第一比較器，用于對所述電流采樣值與一第一閾值進行比較，并于所述電流采樣值大于所述第一閾值時產(chǎn)生一高電平信號以驅(qū)動所述CPLD控制器開始計時； 第二比較器，用于對所述電流采樣值與一大于所述第一閾值的第二閾值進行比較，并于所述電流采樣值大于所述第二閾值時產(chǎn)生一另一高電平信號以驅(qū)動所述CPLD控制器停止計時； 第三比較器，用于對所述電流采樣值與一電流保護閾值進行比較，于所述電流采樣值大于所述電流保護閾值時以驅(qū)動所述CPLD控制器開始計時。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，其特征在于，所述比較電路還包括一閾值設(shè)置電路，用于對所述第一閾值、所述第二閾值及所述電流保護閾值進行設(shè)置。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，其特征在于，所述緩沖電路單元包括， 壓敏電阻，連接于所述功率器件開關(guān)單元的兩端； 由第一電阻和第一電容串聯(lián)的支路，與所述壓敏電阻并聯(lián)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，其特征在于，所述緩沖電路單元包括， 壓敏電阻，連接于所述功率器件開關(guān)單元的兩端； 由第一電阻和第一電容串聯(lián)的支路，與所述壓敏電阻并聯(lián)； 第二二極管，并聯(lián)于所述第一電阻的兩端。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固態(tài)開關(guān)的短路保護裝置，其特征在于，所述功率器件開關(guān)單元采用基于IGBT的反串聯(lián)結(jié)構(gòu)或基于二極管整流配合IGBT結(jié)構(gòu)或基于IGBT反并聯(lián)結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】H02J13/00GK105870886SQ201610190216
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】葉辰之, 李霄, 付煒亮, 李福生, 王云, 楊建波, 曹碧穎
【申請人】上海電氣集團股份有限公司