一種低壓船用固態(tài)直流斷路器研究

吳 鑫，吳益飛，吳 翊，榮命哲，楊 飛

應用研究

一種低壓船用固態(tài)直流斷路器研究

吳 鑫，吳益飛，吳 翊，榮命哲，楊 飛

（西安交通大學電氣工程學院，西安 710000）

本文介紹了一種基于寬禁帶器件SiC JFET的船用固態(tài)直流斷路器的拓撲和工作原理。結合建模仿真與實際工況，研究了主開關器件、緩沖電路、限壓耗能電路等主要元件的參數(shù)設計方法。研制了一種375 V固態(tài)直流斷路器原理樣機，針對短路故障進行了開斷試驗，并給出了試驗波形。結果表明該固態(tài)直流斷路器具有快速關斷短路電流的能力。

固態(tài)斷路器 直流配電 SiC JFET

0 引言

隨著功率半導體技術的發(fā)展，低壓直流配電技術逐漸在船舶電力系統(tǒng)得到廣泛應用。相較于傳統(tǒng)的交流配電技術，直流配電線路損耗小、變流環(huán)節(jié)少，在效率、經濟和可靠性方面具有很大優(yōu)勢[1～2]。直流斷路器的快速保護是直流配電應用過程中亟待解決的技術難題之一[3]。

傳統(tǒng)的機械直流斷路器存在開斷速度慢、觸頭燒蝕嚴重、體積大等問題，難以滿足未來直流系統(tǒng)快速可靠保護的要求[4]。固態(tài)直流斷路器（DC SSCB）以半控型（如SCR）或全控型（如IGBT、MOSFET、IGCT等）電力電子器件作為主控開關器件，同時搭配控制電路和緩沖吸能電路等完成電流快速開斷功能。固態(tài)直流斷路器開斷過程無電弧產生、動作速度快、電壽命長，可以更好的滿足直流系統(tǒng)快速、可靠保護的需求。

為了降低固態(tài)直流斷路器的通態(tài)損耗[5]，提升開斷速度，本文研制了基于全控型器件SiC JFET的固態(tài)直流斷路器。首先介紹了該固態(tài)直流斷路器的拓撲和工作原理，建立仿真模型對其關鍵元件的參數(shù)進行分析與設計，并研制樣機進行實驗測試，驗證所設計的固態(tài)直流斷路器合理性。

1 拓撲分析

圖1 SSCB拓撲結構示意圖

SSCB的拓撲結構如圖1所示，包括主開關器件Q，緩沖支路（緩沖電容Cs、二極管Ds、電阻Rs），限壓耗能組件MOV等。

在正常工作情況下，主開關器件Q處于導通狀態(tài)。短路故障發(fā)生時的開斷過程如圖2所示。其中Q代表流過Q的電流，C代表流過緩沖電容的電流，MOV代表流過MOV的電流，Q代表器件兩端的電壓。整個開斷過程主要分為4個階段：

1）階段Ⅰ：即圖中0～1時間段的過程。0之前，固態(tài)直流斷路器正常工作，電力電子開關處于導通狀態(tài)。0時刻系統(tǒng)發(fā)生短路，故障電流快速上升。

2）階段Ⅱ：即圖中1～2時間段的過程。發(fā)生故障后，檢測電路識別故障，1時刻由控制電路發(fā)出關斷信號。器件Q電流迅速下降，兩端電壓開始上升。同時，系統(tǒng)向緩沖支路中的電容Cs充電，電容電壓逐漸上升。

3）階段Ⅲ：即圖中3～4時間段的過程。3時刻電力電子開關兩端電壓達到MOV的擊穿電壓，MOV由高阻抗狀態(tài)迅速變?yōu)榈妥钁B(tài)，流過MOV的電流逐漸上升。

4）階段Ⅳ：即圖中4～5時間段的過程。5時刻MOV承擔全部短路電流，儲存在直流主回路電感中的能量完全被MOV吸收；器件Q兩端電壓逐漸下降，恢復為系統(tǒng)母線電壓。

圖2 SSCB短路開斷過程示意圖

2 參數(shù)分析

2.1 主開關器件Q

主開關器件Q是SSCB的核心元件，主要有兩個作用：正常運行時承載額定電流；短路故障時快速開斷電流。相比較傳統(tǒng)的Si基器件（如Si IGBT），寬禁帶器件SiC JFET導通電阻小、開斷速度快，可以在更高結溫下工作[6]，適用于固態(tài)直流斷路器的研制。為滿足SSCB正常情況下額定通流的需求，器件Q應具有較低的導通電阻，載流芯片與環(huán)境之間的熱阻盡可能低。器件在快速關斷后，其兩端會產生較高的電壓尖峰。MOV可以將電壓尖峰限制在一定范圍，通常大于系統(tǒng)電壓。為滿足開斷過程的耐壓要求，器件Q的額定電壓應大于2倍的系統(tǒng)電壓。直流系統(tǒng)在接入感性負載時會產生涌流，電流峰值可達數(shù)倍額定電流。另外發(fā)生短路故障時，電流會在短時間內上升至3～5倍額定電流。為滿足涌流和短路開斷要求，器件Q應具有耐受浪涌和短路電流開斷的能力。導通電阻、關斷時間、額定電壓和電流是SSCB設計中考慮的重要參數(shù)。

2.2 緩沖支路RCD

由于直流系統(tǒng)阻抗小，故障電流上升率大，在故障檢測時間內短路電流會上升到一個較大的值。SiC JFET的關斷速度很快，在線路雜散電感的作用下，器件兩端會產生很大的瞬態(tài)電壓尖峰，極其容易損壞功率器件。所以需要添加緩沖電路來抑制關斷電壓尖峰。RCD緩沖電路是一種常用的方法，其工作原理是器件電壓建立過程中母線通過二極管Ds向吸收電容Cs充電，利用電容電壓不會突變的性質來減小dd，電阻Rs為Cs提供放電通道。吸收電容Cs的參數(shù)對SSCB開斷過程的dd以及電壓尖峰至關重要。

2.3 限壓耗能支路MOV

固態(tài)直流斷路器中利用MOV來限制關斷過電壓，吸收耗散能量。SSCB正常工作時，MOV電壓為系統(tǒng)額定電壓，表現(xiàn)為高阻態(tài)。在開斷過程中，當器件電壓超過MOV的導通閾值電壓時，MOV變?yōu)榈妥钁B(tài)，短路電流轉移至MOV支路，耗散系統(tǒng)能量。MOV的伏安特性以及能量是參數(shù)設計的關鍵，要保證器件關斷電壓限制在一定的范圍內，并且可將系統(tǒng)儲存的能量完全耗散，通常采用并聯(lián)MOV的方式滿足要求。

2.4 仿真計算

圖3 SSCB短路開斷仿真波形

為了直觀地分析緩沖和耗能支路參數(shù)對SSCB關斷特性的影響，在Pspice仿真軟件中搭建了SSCB暫態(tài)仿真模型，利用LC震蕩電路來模擬直流短路故障。仿真參數(shù)設置為：回路電容16 mF，回路電感50 μH，短路電流上升率1 A/μs，吸收電容2 μF，吸收電阻10 Ω，峰值電流200 A。圖3給出了SSCB短路開斷的典型波形。

由圖3可以看出，關斷過程的d/d很大，如果不抑制有可能損壞功率器件。圖4給出了不同吸收電容下的器件電壓仿真波形，可以看出隨著吸收電容容值增大，d/d減小，同時電壓峰值也變小。但是電容容值增加會引起體積變大，成本提高等問題，所以需要綜合考慮器件耐受水平和SSCB體積成本來選擇緩沖電容的大小。

圖4 不同緩沖電容下的關斷電壓波形

3 實驗測試

為驗證上述參數(shù)設計的合理性，研制了基于SiC JFET的375 V固態(tài)直流斷路器樣機，如圖5所示，包括主電路、驅動電路和控制電路等。圖6是固態(tài)直流斷路器的開斷測試波形，開斷峰值電流為400 A，整個開斷時間約150 μs，開斷峰值電壓620 V。

圖5 固態(tài)直流斷路器樣機

圖6 固態(tài)直流斷路器短路開斷測試波形

由于導通電阻的存在，SiC JFET通流時會產生一定的損耗。為測試SSCB的散熱性能，在器件電流恒定為60A的條件下測量器件表面溫度，圖7為測試結果。0時刻開始通流，12 min時SSCB與環(huán)境達到熱平衡，最大溫升40.6℃。

圖7 溫升測試結果

4 結論

本文基于寬禁帶器件設計了一種低損耗、可快速關斷的固態(tài)直流斷路器。該固態(tài)直流斷路器由主開關器件、緩沖支路和限壓耗能支路。結合Pspice仿真模型對關鍵元件參數(shù)進行分析，設計樣機并完成了實驗測試，驗證了固態(tài)直流斷路器的短路電流快速開斷能力。

[1] 李江紅. 低壓直流配電系統(tǒng)保護探究[J]. 電工技術, 2020(14): 110-111+114．

[2] 薛士敏, 陳超超, 金毅, 蘇劍, 韋濤, 賀家李, 王瑩.直流配電系統(tǒng)保護技術研究綜述[J]. 中國電機工程學報, 2014, 34(19): 3114-3122.

[3] 吳鳴, 劉海濤, 陳文波, 蘇劍, 季宇, 孫麗敬, 王麗.中低壓直流配電系統(tǒng)的主動保護研究[J]. 中國電機工程學報, 2016, 36(04): 891-899.

[4] Qi L, Antoniazzi A, Raciti L, Leoni D and Kim H. "Solid state circuit breaker based dc shipboard distribution protection"[A]. Proc. 13th Int. Conf. Develop. Power Syst. Protection pp. 1-6 2016.

[5] Miao Z, et al. A self-powered ultra-fast dc solid state circuit breaker using a normally-on SiC JFET[A]. Proc. IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo. pp. 767-773 2015.

[6] 盛況, 任娜, 徐弘毅. 碳化硅功率器件技術綜述與展望[J]. 中國電機工程學報, 2020, 40(06): 1741-1753.

Research on low voltage marine solid state DC circuit breaker

Wu Xin, Wu Yifei, Wu Yi, Rong Mingzhe, Yang Fei

(School of Electrical Engineering, Xi 'an Jiaotong University, Xi’an 710000, China)

TM561

A

1003-4862（2022）01-0016-03

2021-05-31

吳鑫（1998-），男，主要從事固態(tài)直流斷路器。Email：wx15035485704@stu.xjtu.edu.cn