專利名稱：一種諧振型直流固態(tài)斷路器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
實(shí)用新型涉及一種固態(tài)斷路器，尤其涉及一種諧振型直流固態(tài)斷路器。
背景技術(shù)：
固態(tài)斷路器(Solid State Circuit Breaker，簡(jiǎn)稱SSCB)是用來(lái)快速切斷故障的一種新型電力自動(dòng)化設(shè)備。目前使用的比較多的是交流固態(tài)斷路器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要由兩部分組成RC緩沖吸收電路和兩個(gè)反并連接的固態(tài)開(kāi)關(guān)，其中，該固態(tài)開(kāi)關(guān)可以為可關(guān)斷晶閘管GT0(feite Turn-Off Thyristor，簡(jiǎn)稱GT0)或絕緣柵雙極型功率管 IGBTdnsulated Gate Bipolar ^Transistor，簡(jiǎn)稱IGBT)。因現(xiàn)有的常用功率器件的過(guò)載能力較低，所以固態(tài)斷路器常與限流器組合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)短路情況下的故障開(kāi)斷，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，它主要由主開(kāi)關(guān)單元A(GT0組成)、限流單元和氧化鋅避雷器單元構(gòu)成。正常工作時(shí)， GTO處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，GTO迅速斷開(kāi)，故障電流流過(guò)限流電抗器，氧化鋅避雷器將限制限流單元兩端的電壓上升速度，并且電壓加在限流單元兩端，從而限制了故障電流。 但是這種由全控器件構(gòu)成的固態(tài)開(kāi)關(guān)裝置大多應(yīng)用于交流配電網(wǎng)，而應(yīng)用于直流電網(wǎng)時(shí)則存在以下問(wèn)題(1)直流線路中無(wú)自然過(guò)零點(diǎn)，流過(guò)的電流為一恒定值，不存在在過(guò)零點(diǎn)附件進(jìn)行控制的可能性。當(dāng)固態(tài)開(kāi)關(guān)(如GTO、IGBT)動(dòng)作時(shí)承受的電流、電壓應(yīng)力非常大，現(xiàn)有的器件一般很難滿足。這就要求針對(duì)直流的這一特點(diǎn)，減緩裝置動(dòng)作時(shí)固態(tài)開(kāi)關(guān)承受的電流 (壓)應(yīng)力，避免損壞裝置。(2)現(xiàn)有的功率器件的過(guò)載能力較低、分?jǐn)嗳萘科?，裝置能承受的過(guò)載倍數(shù)較小。當(dāng)流過(guò)的電流較大時(shí)，需對(duì)器件進(jìn)行幾倍的降額使用，造成器件使用的浪費(fèi)同時(shí)需提供可靠的驅(qū)動(dòng)及同步控制技術(shù)。(3)GTO, IGBT等可采用的全控器件通態(tài)損耗大。目前能通過(guò)2kA的大功率GTO 的通態(tài)壓降約2V，正常運(yùn)行時(shí)損耗約為4kW，在高壓、大電流場(chǎng)合場(chǎng)合需采用多個(gè)器件進(jìn)行串、并連，損耗相當(dāng)可觀，也增大了裝置的散熱要求和運(yùn)營(yíng)成本。目前這幾個(gè)問(wèn)題都沒(méi)有得到很好的解決，因此限制了固態(tài)斷路器在直流領(lǐng)域的應(yīng)用。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種諧振型直流固態(tài)斷路器，改變已有的電路結(jié)構(gòu)，以避免使用昂貴的全控器件及其在開(kāi)關(guān)動(dòng)作瞬間承受的電流(壓)應(yīng)力過(guò)大和過(guò)載能力低對(duì)固態(tài)斷路器應(yīng)用的限制，實(shí)現(xiàn)固態(tài)斷路器的軟開(kāi)通和軟關(guān)斷。本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本實(shí)用新型諧振型直流固態(tài)斷路器，包括直流電源和負(fù)載，其特征在于還包括主開(kāi)關(guān)單元A和輔助開(kāi)關(guān)單元B，其中主開(kāi)關(guān)單元A包括主開(kāi)關(guān)晶間管和主開(kāi)關(guān)功率二極管，輔助開(kāi)關(guān)單元B包括第一晶閘管、第二晶閘管、第三晶閘管、第四晶閘管、第一電感、第二電感、儲(chǔ)能脈沖電容和輔助開(kāi)關(guān)功率二極管；直流電源的正輸出端分別接第一晶閘管的陽(yáng)極、主開(kāi)關(guān)晶閘管的陽(yáng)極和主開(kāi)關(guān)功率二極管的陰極，直流電源的負(fù)輸出端分別與輔助開(kāi)關(guān)功率二極的陽(yáng)極、第四晶閘管的陰極和負(fù)載的負(fù)輸入端連接接地，主開(kāi)關(guān)功率二極管的陽(yáng)極分別接主開(kāi)關(guān)晶閘管的陰極、負(fù)載的正輸入端、第二晶閘管的陰極和第三晶閘管的陰極，第一晶閘管的陰極分別接第二晶閘管的陽(yáng)極和第一電感的輸入端，第一電感的輸出端分別接第二電感的輸入端和儲(chǔ)能脈沖電容的輸入端，第二電感的輸出端接第三晶間管的陽(yáng)極，儲(chǔ)能脈沖電容的輸出端分別接第四晶閘管的陽(yáng)極和輔助開(kāi)關(guān)功率二極管的陰極。本實(shí)用新型的有益效果如下1、從開(kāi)關(guān)動(dòng)作瞬間功率器件的損耗來(lái)說(shuō)，采用諧振軟開(kāi)關(guān)的思想避免了硬開(kāi)通 (關(guān)斷)對(duì)功率器件造成的損壞及關(guān)斷時(shí)裝置過(guò)載倍數(shù)設(shè)定值低的缺點(diǎn)，制造了直流領(lǐng)域的過(guò)零點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了功率器件的軟開(kāi)通(關(guān)斷)，提高了裝置的可靠性。2、從采用的功率器件來(lái)說(shuō)，省去了采用昂貴的全控功率器件(如GTO、IGBT)的費(fèi)用，增大了裝置的容量，降低了裝置的通態(tài)損耗、散熱要求、制造費(fèi)用及運(yùn)營(yíng)成本，因?yàn)楸緦?shí)用新型采用的普通晶閘管SCR(Silicon Controlled Rectifier)是目前市場(chǎng)化使用的功率器件中單管容量最大和通態(tài)壓降最低的器件。3、從對(duì)驅(qū)動(dòng)電源的要求來(lái)說(shuō)，SCR導(dǎo)通時(shí)只需提供一定寬度的脈沖即可，導(dǎo)通后無(wú)需驅(qū)動(dòng)電源再提供能量。若采用全控器件，需對(duì)功率器件的控制電路持續(xù)提供能量，在高壓場(chǎng)合時(shí)對(duì)高電位驅(qū)動(dòng)電源的取能要求就嚴(yán)格了。4、從電路結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展性來(lái)說(shuō)，目前采用的是SCR這種半控器件，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同，某些場(chǎng)合可以用全控器件來(lái)替代，隨著功率器件和半導(dǎo)體市場(chǎng)的發(fā)展，這種替代的可能性是存在的，替代后裝置的快速性將會(huì)有很大的提高。綜上所述，本實(shí)用新型提出的直流固態(tài)斷路器，不僅采用SCR這種目前容量最大、 通態(tài)壓降最低的市場(chǎng)化器件，提高了裝置的容量，降低了成本，而且實(shí)現(xiàn)了固態(tài)開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)通(關(guān)斷)，提高了裝置的可靠性。

圖1 交流固態(tài)斷路器電路圖；圖2 固態(tài)斷路器與限流器組合使用的工程實(shí)例電路圖；標(biāo)識(shí)分別為1緩沖器、2 避雷器、3電抗器、4開(kāi)關(guān)圖3 本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的直流固態(tài)斷路器的主電路結(jié)構(gòu)圖；圖4 本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的直流固態(tài)斷路器的能量瀉放的另一種使用形式；圖5 正常開(kāi)通和關(guān)斷操作時(shí)序圖；圖6 短路關(guān)斷操作時(shí)序具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明如圖1所示，為交流固態(tài)斷路器電路圖，圖2為固態(tài)斷路器與限流器組合使用的工程實(shí)例電路圖。本實(shí)用新型的電路如圖3所示，其中A是主開(kāi)關(guān)單元，B是輔助開(kāi)關(guān)單元。其中主開(kāi)關(guān)單元A包括主開(kāi)關(guān)晶閘管T11和主開(kāi)關(guān)功率二極管D1 ；輔助開(kāi)關(guān)單元B主要由第一晶閘管T21、第二晶閘管T22、第三晶閘管T23、第四晶閘管T24，電感第一電感L1、第二電感L2，儲(chǔ)能脈沖電容C1和輔助開(kāi)關(guān)功率二極&組成。其中輔助開(kāi)關(guān)電路按功能和組合又可分為(1)輔助開(kāi)通電路第一晶閘管T21、第一電感L1、第二電感L2、第三晶閘管Tm構(gòu)成；(2)輔助充電電路第一晶閘管T21、第一電感L1、儲(chǔ)能脈沖電容C1、第四晶閘管T24 構(gòu)成；(3)正常關(guān)斷電路儲(chǔ)能脈沖電容C1、第一電感L1、第二晶閘管T22、輔助開(kāi)關(guān)功率二極管A構(gòu)成；(4)過(guò)載關(guān)斷電路儲(chǔ)能脈沖電容C1、第二電感L2、第三晶閘管T23、輔助開(kāi)關(guān)功率二極管D2構(gòu)成。以下介紹本實(shí)用新型的直流固態(tài)斷路器的工作原理先開(kāi)通第一晶閘管T21和第三晶閘管T23，實(shí)現(xiàn)輔助開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)通；當(dāng)流經(jīng)第一電感L1、第二電感L2的電流達(dá)到或接近額定電流時(shí)，開(kāi)通主開(kāi)關(guān)晶閘管T11和第四晶閘管 T24，換流過(guò)程發(fā)生，主開(kāi)關(guān)晶閘管T11的電流開(kāi)始逐漸增大，儲(chǔ)能脈沖電容C1開(kāi)始充電；當(dāng)?shù)诙姼蠰2的電流減小為零時(shí)，換流過(guò)程結(jié)束，主開(kāi)關(guān)晶閘管T11的電流達(dá)到穩(wěn)定值。固態(tài)斷路器SSCB需要正常斷開(kāi)時(shí)，第二晶閘管T22導(dǎo)通，儲(chǔ)能脈沖電容C1通過(guò)第一電感L1放電，當(dāng)諧振放電電流大于負(fù)載電流時(shí)，主開(kāi)關(guān)晶閘管T11電流降為零，主開(kāi)關(guān)晶閘管T11由于承受反向電壓而自然關(guān)斷，多余電流WD1中返回電網(wǎng)。當(dāng)需要故障關(guān)斷時(shí)，第三晶閘管T23導(dǎo)通，儲(chǔ)能脈沖電容C1通過(guò)第二電感L2來(lái)放電，第二電感L2的值較第一電感 L1要小，故障關(guān)斷時(shí)的放電速度比正常關(guān)斷時(shí)要快，當(dāng)D1中有電流流過(guò)時(shí)主開(kāi)關(guān)晶閘管T11 自然關(guān)斷。當(dāng)主開(kāi)關(guān)晶閘管T11管、自然關(guān)斷后，電容與電感組成的諧振電路繼續(xù)進(jìn)行充、放電，為下次的投入運(yùn)行做準(zhǔn)備。圖4為本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的直流固態(tài)斷路器的能量瀉放的另一種使用形式。正常工作時(shí)電路工作狀態(tài)分析在圖5中，、時(shí)刻控制系統(tǒng)發(fā)出SSCB正常開(kāi)通命令，同時(shí)觸發(fā)第一晶閘管T21和第三晶閘管T23導(dǎo)通，由于電感L1和L2的存在，T21和T23實(shí)現(xiàn)了零電流開(kāi)通。此后，流過(guò)電感L1和L2中的電流逐漸增大，直到、時(shí)刻達(dá)到穩(wěn)定。假設(shè)電源電壓用Vd。表示，負(fù)載電阻用&。ad表示，不考慮開(kāi)關(guān)T21和T23的通態(tài)壓降和線路的損耗，線路的電流為^O = U) =⑶-^f^]、時(shí)刻流過(guò)電感LpL2的電流最終達(dá)到IuU1)= IL2 U1) = In，此時(shí)可同時(shí)觸發(fā)主開(kāi)關(guān)晶閘管T11和第四晶閘管T24導(dǎo)通。主開(kāi)關(guān)管T11的電流從零開(kāi)始增大，T11實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通。T11管電流增大的同時(shí)，第一電感L1與電容C1諧振，對(duì)電容C1進(jìn)行充電，電容C1兩端的電壓從UaU1) =0逐漸，直至變?yōu)榉€(wěn)定。第三晶閘管Tm由于承受反向電壓，電流逐漸減小，此過(guò)程流過(guò)晶閘管Tm的電流可表示為'723(0 = i,2(t) = In --^sin[iyr(f-i,)]其中約=V(A+A)AM^2C1。[0040]t2時(shí)刻，流過(guò)晶閘管T23的電流I123(t2) = 0，晶閘管T23自然關(guān)斷，主開(kāi)關(guān)管T11中電流恒定不變等于負(fù)載電流即Im (t2) = Ino要保證晶閘管Tm可靠關(guān)斷，需滿足0 < cos [ωΓ (、_、)]< 1t3時(shí)亥IJ，電容C1的充電電流Icl(t3) = Ili (t3) = 0，第一晶閘管T21和第四晶閘管 T24自然關(guān)斷，至此電容C1的充電完成，開(kāi)通過(guò)程結(jié)束，開(kāi)關(guān)進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。正常關(guān)斷時(shí)電路工作狀態(tài)分析在圖5中，t3至t4時(shí)間段內(nèi)，Ini (t) = IN, Uci (t) = Uci (t3)，電路處于正常運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)、時(shí)刻是正常關(guān)斷過(guò)程的起始時(shí)刻。t4時(shí)刻控制系統(tǒng)發(fā)出正常關(guān)斷命令，第二晶閘管T22導(dǎo)通，電容C1開(kāi)始放電，流過(guò)第一電感L1的電流從零開(kāi)始反向增大，IT22(t4) = Ici (t4) = Ili (t4) = 0，晶閘管L零電流開(kāi)通。t4 t5時(shí)間段是諧振放電電流和流過(guò)主開(kāi)關(guān)管Tl 1的電流共同向負(fù)載提供電流，隨著諧振放電電流的增大，電容C1兩端的電壓開(kāi)始下降，流過(guò)主開(kāi)關(guān)管T11的電流也逐漸減小。 t5時(shí)刻，諧振放電電流等于額定負(fù)載電流，|lu(t) I =In，而流過(guò)主開(kāi)關(guān)管T11的電流Itii (t5) =0，主開(kāi)關(guān)管T11自然關(guān)斷，同時(shí)第一二極管D1的電流從Idi (t5) =0開(kāi)始增加。此后，諧振電流開(kāi)始大于額定負(fù)載電流，多余電流從二極管D1中流走。t6時(shí)刻，電容C1的放電電流又等于額定負(fù)載電流即Ili (t6) = In，流過(guò)二極管D1的電流變?yōu)?即Im (t6) = 0。此后，電感L1和電容C1構(gòu)成的諧振支路繼續(xù)放電，電容C1中儲(chǔ)存的能量分為兩部分一部分為負(fù)載所消耗，一部分被存儲(chǔ)到電感L1中。、 、時(shí)間段電路處于LC諧振過(guò)程，t7時(shí)刻諧振過(guò)程結(jié)束，正常開(kāi)斷動(dòng)作結(jié)束。短路關(guān)斷時(shí)電路工作狀態(tài)分析為保持開(kāi)關(guān)操作流程的完整性，用t/時(shí)刻表示短路關(guān)斷的起始時(shí)刻，如圖6所
7J\ οt4'時(shí)刻流過(guò)主開(kāi)關(guān)管T11的電流I111 (t4' )=IN，t4'后負(fù)載開(kāi)始出現(xiàn)過(guò)流，流過(guò)主開(kāi)關(guān)管T11的電流逐漸增大。t5'時(shí)刻，流過(guò)主開(kāi)關(guān)管T11的電流達(dá)到設(shè)定的短路電流保護(hù)倍數(shù)，觸發(fā)第三晶閘管T23開(kāi)通，電容C1開(kāi)始放電，流過(guò)第三晶閘管T23的電流I123 (t5' ) = Ici (t5' ) =0，由于放電電流的速率上升很快，流過(guò)主開(kāi)關(guān)管T11的電流開(kāi)始下降。t6'時(shí)刻，諧振支路的放電電流大于負(fù)載電流，流過(guò)主開(kāi)關(guān)管T11的電流減小為0， 主開(kāi)關(guān)管T11自然關(guān)斷，反并聯(lián)的第一二極管D1開(kāi)始流過(guò)電流Idi (t6' ) = Im (t7' ) =0，一部分能量通過(guò)二極管D1開(kāi)始反饋回電網(wǎng)；t7'時(shí)刻，D1管中電流減小為0，其續(xù)流過(guò)程結(jié)束；t8'時(shí)刻，流過(guò)二極管D2的電流 ID2 (t8' )=0，諧振過(guò)程結(jié)束。t/ t8'時(shí)間段可看作電容C1、電感L2、晶閘管T23、二極管D2構(gòu)成的諧振回路的于充、放電過(guò)程。本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)例中設(shè)計(jì)的參數(shù)線路電壓Vde = IkV,線路額定電流In = 100A ；負(fù)載電阻I^ad = 10 Ω ；脈沖儲(chǔ)能電容C1 = 200 μ F，電感 L1 = 4mH，L2 = 150 μ H。
權(quán)利要求1. 一種諧振型直流固態(tài)斷路器，包括直流電源和負(fù)載，其特征在于該固態(tài)斷路器還包括主開(kāi)關(guān)單元(A)和輔助開(kāi)關(guān)單元(B)，其中主開(kāi)關(guān)單元(A)包括主開(kāi)關(guān)晶閘管(T11)和主開(kāi)關(guān)功率二極管(D1)，輔助開(kāi)關(guān)單元(B)包括第一晶閘管(T21)、第二晶閘管(T22)、第三晶閘管(T23)、第四晶閘管(T24)、第一電感知)、第二電感(L2)、儲(chǔ)能脈沖電容(C1)和輔助開(kāi)關(guān)功率二極管(D2)；直流電源的正輸出端分別接第一晶閘管(T21)的陽(yáng)極、主開(kāi)關(guān)晶閘管(T11) 的陽(yáng)極和主開(kāi)關(guān)功率二極管(D1)的陰極，直流電源的負(fù)輸出端分別與輔助開(kāi)關(guān)功率二極管 (D2)的陽(yáng)極、第四晶閘管(T24)的陰極和負(fù)載的負(fù)輸入端連接接地，主開(kāi)關(guān)功率二極管(D1) 的陽(yáng)極分別接主開(kāi)關(guān)晶閘管(T11)的陰極、負(fù)載的正輸入端、第二晶閘管(T22)的陰極和第三晶閘管(T23)的陰極，第一晶閘管(T21)的陰極分別接第二晶閘管(T22)的陽(yáng)極和第一電感 (L1)的輸入端，第一電感(L1)的輸出端分別接第二電感(L2)的輸入端和儲(chǔ)能脈沖電容(C1) 的輸入端，第二電感(L2)的輸出端接第三晶閘管(T23)的陽(yáng)極，儲(chǔ)能脈沖電容(C1)的輸出端分別接第四晶閘管(T24)的陽(yáng)極和輔助開(kāi)關(guān)功率二極管(D2)的陰極。
專利摘要本實(shí)用新型公布了一種諧振型直流固態(tài)斷路器，屬于固態(tài)斷路器。本實(shí)用新型所述斷路器包括直流電源、主開(kāi)關(guān)單元A、輔助開(kāi)關(guān)單元B和負(fù)載，其中主開(kāi)關(guān)單元A包括主開(kāi)關(guān)晶閘管和主開(kāi)關(guān)功率二極管，輔助開(kāi)關(guān)單元B包括第一晶閘管、第二晶閘管、第三晶閘管、第四晶閘管、第一電感、第二電感、儲(chǔ)能脈沖電容和輔助開(kāi)關(guān)功率二極管。本實(shí)用新型提高了裝置的容量，降低了成本，而且實(shí)現(xiàn)了固態(tài)開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)通(關(guān)斷)，提高了裝置的可靠性。
文檔編號(hào)H03K17/73GK202276128SQ201120344378
公開(kāi)日2012年6月13日 申請(qǐng)日期2011年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月15日
發(fā)明者施金偉 申請(qǐng)人:蘇州微體電子科技有限公司