专利名称：谐振型直流固态断路器的制作方法
技术领域：
发明涉及一种固态断路器，尤其涉及一种谐振型直流固态断路器。 背景4支术
固态断路器(Solid State Circuit Breaker,简称SSCB)是用来快速 切断故障的一种新型电力自动化设备。目前使用的比较多的是交流固态断路 器，其结构如图l所示，其主要由两部分组成RC緩沖吸收电路和两个反并 连接的固态开关，其中，该固态开关可以为可关断晶闸管GTO (Gate Turn-Off Thyristor，简称GTO)或绝缘栅双极型功率管IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT)。因现有的常用功率器件的过载能力4^f氐，所以固 态断路器常与限流器组合使用来实现短路情况下的故障开断，其结构如图2 所示，它主要由主开关单元A (GT0组成)、限流单元和氧化锌避雷器单元构 成。正常工作时，GTO处于导通状态；当发生故障时，GTO迅速断开，故障 电流流过限流电抗器，氧化锌避雷器将限制限流单元两端的电压上升速度， 并且电压加在限流单元两端，从而限制了故障电流。^f旦是这种由全控器件构 成的固态开关装置大多应用于交流配电网，而应用于直流电网时则存在以下 问题
(1)直流线路中无自然过零点，流过的电流为一恒定值，不存在在过 零点附件进行控制的可能性。当固态开关(如GTO、 IGBT)动作时承受的电流、电压应力非常大，现有的器件一般很难满足。这就要求针对直流的这一 特点，减緩装置动作时固态开关承受的电流(压)应力，避免损坏装置。
(2) 现有的功率器件的过载能力较低、分断容量偏小，装置能承受的 过载倍数较小。当流过的电流较大时，需对器件进行几倍的降额使用，造成 器件使用的浪费同时需提供可靠的驱动及同步控制技术。
(3) GT0、 IGBT等可采用的全控器件通态损耗大。目前能通过2kA的大 功率GT0的通态压降约2V,正常运行时损耗约为4kW,在高压、大电流场合 场合需采用多个器件进行串、并连，损耗相当可观，也增大了装置的散热要 求和运营成本。
目前这几个问题都没有得到很好的解决，因此限制了固态断路器在直流 4贞;或的应用。
发明内容
本发明目的是针对现有技术存在的缺陷提供一种谐振型直流固态断路 器，改变已有的电路结构，以避免使用昂贵的全控器件及其在开关动作瞬间 承受的电流(压)应力过大和过载能力低对固态断路器应用的限制，实现固 态断路器的软开通和软关断。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案
本发明谐振型直流固态断路器，包括直流电源和负载，其特征在于还包 括主开关单元A和辅助开关单元B，其中主开关单元A包括主开关晶闸管 和主开关功率二极管，辅助开关单元B包括第一晶闸管、第二晶闸管、第三 晶闸管、第四晶闸管、第一电感、第二电感、储能脉冲电容和辅助开关功率 二极管；直流电源的正输出端分别接第一晶闸管的阳极、主开关晶闸管的阳极和主开关功率二极管的阴极，直流电源的负输出端分别与辅助开关功率二 极的阳极、第四晶闸管的阴极和负载的负输入端连接接地，主开关功率二极 管的阳极分别接主开关晶闸管的阴极、负载的正输入端、第二晶闸管的阴极 和第三晶闸管的阴极，第 一 晶闸管的阴极分别接第二晶闸管的阳极和第 一 电 感的输入端，第一电感的输出端分别接第二电感的输入端和储能脉冲电容的 输入端，第二电感的输出端接第三晶闸管的阳极，储能脉冲电容的输出端分 别接第四晶闸管的阳极和辅助开关功率二极管的阴极。
本发明的有益效果如下
1、 从开关动作瞬间功率器件的损耗来说，采用谐振软开关的思想避免 了硬开通(关断)对功率器件造成的损坏及关断时装置过载倍数设定值低的 缺点，制造了直流领域的过零点，实现了功率器件的软开通(关断)，提高 了装置的可靠性。
2、 从采用的功率器件来说，省去了采用昂贵的全控功率器件(如GT0、 IGBT)的费用，增大了装置的容量，降低了装置的通态损耗、散热要求、制 造费用及运营成本，因为本发明采用的普通晶闸管SCR (Silicon Controlled Rectifier)是目前市场化使用的功率器件中单管容量最大和通态压降最低 的器件。
3、 从能量的角度来说，装置提供了电能回馈电网的通道，提高了电能 的利用率，同时对于电能只能单项流动的直流领域，可在负载端并联一氧化 锌避雷器来限制故障关断时负载两端的过压。
4、 从对驱动电源的要求来说，SCR导通时只需提供一定宽度的脉冲即可， 导通后无需驱动电源再4是供能量。若采用全控器件，需对功率器件的控制电路持续提供能量，在高压场合时对高电位驱动电源的取能要求就严格了 。
5、从电路结构的扩展性来说，目前釆用的是SCR这种半控器件，根据 应用场合的不同，某些场合可以用全控器件来替代，随着功率器件和半导体 市场的发展，这种替代的可能性是存在的，替代后装置的快速性将会有很大 的提高。
综上所述，本发明提出的直流固态断路器，不仅采用SCR这种目前容量 最大、通态压降最低的市场化器件，提高了装置的容量，降低了成本，而且 实现了固态开关的软开通(关断)，提高了装置的可靠性。
图1:交流固态断^各器电^各图2:固态断路器与限流器组合使用的工程实例电路图3:本发明设计的直流固态断路器的主电路结构图4:本发明设计的直流固态断路器的能量泻放的另一种使用形式；
图5:正常开通和关断操:作时序图6:短路关断操作时序图7: SSCB开通过程波形图8: SSCB正常关断过程波形图9: SSCB短^^关断过程波形图。
具体实施例方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明
如图l所示，为交流固态断路器电路图，图2为固态断路器与限流器组合l吏用的工程实例电^各图。
本发明的电路如图3所示，其中A是主开关单元，B是辅助开关单元。其 中主开关单元A包括主开关晶闸管7u和主开关功率二^L管D,;辅助开关单 元B主要由第一晶闸管z^、第二晶闸管&、第三晶闸管&、第四晶闸管^， 电感第一电感A、第二电感A,储能脉冲电容q和辅助开关功率二极A组成。
其中辅助开关电路按功能和组合又可分为
(1) 辅助开通电路第一晶闸管7;。第一电感^、第二电感^、第三晶闸 管7^3构成；
(2) 辅助充电电路第一晶闸管721、第一电感A、储能脉冲电容C,、第四 晶闸管7^构成；
(3) 正常关断电路储能脉冲电容q、第一电感丄,、第二晶闸管&、辅助
开关功率二极管A构成；
(4) 过载关断电路储能脉沖电容C,、第二电感丄2、第三晶闸管723、辅助
开关功率二^l管A构成。
以下介绍本发明的直流固态断路器的工作原理
先开通第 一晶闸管r21和第三晶闸管r23,实现辅助开关管的零电流开通； 当流经第一电感A、第二电感丄2的电流达到或接近额定电流时，开通主开关 晶闸管^和第四晶闸管7^4,换流过程发生，主开关晶闸管7 的电流开始逐 渐增大，储能脉沖电容q开始充电；当第二电感丄2的电流减小为零时，换流 过程结束，主开关晶闸管&的电流达到稳定值。
固态断路器SSCB需要正常断开时，第二晶闸管722导通，储能脉沖电容q 通过第一电感丄,放电，当谐振放电电流大于负载电流时，主开关晶闸管rn电流降为零，主开关晶闸管ru由于承受反向电压而自然关断，多余电流从A中 返回电网。当需要故障关断时，第三晶闸管&导通，储能脉沖电容q通过第 二电感12来放电，第二电感A的值较第一电感A要小，故障关断时的放电速 度比正常关断时要快，当A中有电流流过时主开关晶闸管^自然关断。当主
开关晶闸管7^管、自然关断后，电容与电感组成的谐振电路继续进行充、放
电，为下次的投入运行做准备。
图4为本发明设计的直流固态断路器的能量泻放的另一种使用形式。 正常工作时电路工作状态分析
在图5中，,。时刻控制系统发出SSCB正常开通命令，同时触发第一晶闸 管7^和第三晶闸管7^导通，由于电感Z,和A的存在，7^和7^3实现了零电流 开通。此后，流过电感A和A中的电流逐渐增大，直到^时刻达到稳定。假
设电源电压用^表示，负载电阻用/ 屮表示，不考虑开关721和723的通态压降
和线3各的损耗，线路的电流为
^时刻流过电感^ 、 A的电流最终达到/JO = ,此时可同时触
发主开关晶闸管7;,和第四晶闸管r24导通。主开关管7;,的电流/人零开始增大，
Tu实现零电流开通。Tn管电流增大的同时，第一电感A与电容q谐振，对电
容q进行充电，电容<^两端的电压从"(:1(0 = 0逐渐，直至变为稳定。第三晶
闸管；由于承受反向电压，电流逐渐减小，此过程流过晶闸管723的电流可表 示为
<formula>formula see original document page 8</formula>/2时刻，流过晶闸管723的电流/^(,2) = 0,晶闸管7^自然关断，主开关管 rn中电流恒定不变等于负载电流即^(0-^。要保证晶闸管7^可靠关断，需 满足
0<cos[wr(f2-。]<1
,3时刻，电容C,的充电电流/d(O-^("-0，第一晶闸管7^和第四晶闸 管7^自然关断，至此电容q的充电完成，开通过程结束，开关进入正常运行 状态。
正常关断时电路工作状态分析 在图5中，/3至/4时间段内，/nl(,) = /w, "cl(/) = f/cl(/3)，电路处于正常运 行状态。设^时刻是正常关断过程的起始时刻。
,4时刻控制系统发出正常关断命令，第二晶闸管722导通，电容C,开始放 电，流过第一电感丄,的电流从零开始反向增大，^22("=^(" = /^(,4)=0,晶 闸管&零电流开通。"~ f5时间段是谐振放电电流和流过主开关管7^的电流 共同向负载提供电流，随着谐振放电电流的增大，电容q两端的电压开始下 降，流过主开关管ru的电流也逐渐减小。^时刻，谐纟展;改电电流等于额定负
载电流，1/u(0卜4,而流过主开关管7^的电流/m("^，主开关管Tu自然关 断，同时第一二极管A的电流从/。,("G开始增加。此后，谐4展电流开始大 于额定负载电流，多余电流,人二才及管Z),中流走。^时刻，电容C,的放电电流 又等于额定负载电流即= 流过二极管A的电流变为0即/d,&^0。 此后，电感A和电容q构成的谐振支路继续放电，电容G中储存的能量分为
两部分 一部分为负载所消耗， 一部分被存储到电感A中。" ^时间段电 路处于LC谐振过程，,7时刻谐振过程结束，正常开断动作结束。短路关断时电路工作状态分析
为保持开关操作流程的完整性，用v时刻表示短路关断的起始时刻，如 图6所示。
v时刻流过主开关管7;,的电流/m(v)-"， v后负载开始出现过流，流
过主开关管Tn的电流逐渐增大。
,5'时刻，流过主开关管Tu的电流达到设定的短路电流保护倍数，触发第 三晶闸管723开通，电容q开始放电，流过第三晶闸管&的电流
<formula>formula see original document page 10</formula>由于》文电电流的速率上升4艮快，流过主开关管r 的电流
开始下降。
V时刻，谐振支路的放电电流大于负载电流，流过主开关管r 的电流减 小为0，主开关管Tn自然关断，反并联的第一二极管A开始流过电流 <formula>formula see original document page 10</formula>, —部分能量通过二极管A开始反々责回电网；
V时刻，A管中电流减小为0，其续流过程结束；v时刻，流过二极管A 的电流/"0",谐振过程结束。V ~ V时间段可看作电容q、电感 丄2 、 晶 闸管723、 二极管A构成的谐振回3各的于充、；改电过程。
本发明的 一个实例中设计的参数
线路电压^-ikr,线-各额定电流&"0(L4;负载电阻/ w =ioq;
脉冲储能电容C严200/zF,电感A二4w//,丄2=150////。
图7、图8、图9是本发明所设计的电路采用设计的参数时开通、正常 关断和短路三种情况下所对应的波形图。
本实施例中的功率二极管A、辅助开关功率二极管A，主开关晶闸管 7 、第一晶闸管721、第二晶闸管&、第三晶闸管&、第四晶闸管4均釆用成熟常规产品。
综上所述，尽管本发明的基本结构、原理、方法通过上述实施例予以具 体阐述，在不脱离本发明要旨的前提下，根据以上所述的启发，本领域普通 技术人员可以不需要付出创造性劳动即可实施变换/替代形式或组合均落入 本发明保护范围。
权利要求
1、一种谐振型直流固态断路器，包括直流电源和负载，其特征在于该固态断路器还包括主开关单元A和辅助开关单元B，其中主开关单元A包括主开关晶闸管(T11)和主开关功率二极管(D1)，辅助开关单元B包括第一晶闸管(T21)、第二晶闸管(T22)、第三晶闸管(T23)、第四晶闸管(T24)、第一电感(L1)、第二电感(L2)、储能脉冲电容(C1)和辅助开关功率二极管(D2)；直流电源的正输出端分别接第一晶闸管(T21)的阳极、主开关晶闸管(T11)的阳极和主开关功率二极管(D1)的阴极，直流电源的负输出端分别与辅助开关功率二极(D2)的阳极、第四晶闸管(T24)的阴极和负载的负输入端连接接地，主开关功率二极管(D1)的阳极分别接主开关晶闸管(T11)的阴极、负载的正输入端、第二晶闸管(T22)的阴极和第三晶闸管(T23)的阴极，第一晶闸管(T21)的阴极分别接第二晶闸管(T22)的阳极和第一电感(L1)的输入端，第一电感(L1)的输出端分别接第二电感(L2)的输入端和储能脉冲电容(C1)的输入端，第二电感(L2)的输出端接第三晶闸管(T23)的阳极，储能脉冲电容(C1)的输出端分别接第四晶闸管(T24)的阳极和辅助开关功率二极管(D2)的阴极。
全文摘要
本发明公布了一种谐振型直流固态断路器，属于固态断路器。本发明所述断路器包括直流电源、主开关单元A、辅助开关单元B和负载，其中主开关单元A包括主开关晶闸管和主开关功率二极管，辅助开关单元B包括第一晶闸管、第二晶闸管、第三晶闸管、第四晶闸管、第一电感、第二电感、储能脉冲电容和辅助开关功率二极管。本发明提高了装置的容量，降低了成本，而且实现了固态开关的软开通(关断)，提高了装置的可靠性。
文档编号H02H3/087GK101540493SQ20091002647
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月22日 优先权日2009年4月22日
发明者莉 王, 杰 胡 申请人:南京航空航天大学