直流断路器和电路保护装置的制作方法

本实用新型涉及电子电路技术，尤其是一种适用于高压电路的直流断路器和电路保护装置。

背景技术：

现有技术中基于H桥式的混合式直流断路器一般由主通流支路、转移支路及耗能支路构成。其中，主通流支路包括机械开关，用于导通直流系统负荷电流；转移支路包括多组全桥模块串联的转移单元，用于关断直流系统短路故障电流；耗能支路用于吸收直流系统短路电流并抑制分断过电压。当直流系统正常运行时，高压直流断路器的转移支路处于闭锁阻断状态，主通流支路导通，正常负荷电流；当发生短路故障时，触发转移支路中串联的多组全桥模块，闭锁关断主通流支路，故障电流开始向转移支路转移。转移完成后，使得主通流之路中的机械开关可以在低电压和零电流条件下内实现无弧分断。当机械开关断开之后，闭锁转移支路中的多组全桥模块串联的转移单元，当断路器电压上升至耗能支路的保护动作电压时，耗能支路动作，吸收短路故障能量，同时实现断路器的过电压保护。

现有转移支路中的全桥模块的工作电压一般等于全桥模块中绝缘栅双极型晶体管(又称IGBT)的工作电压Udc；在转移之路中，转移单元中串联的全桥模块的数量M，由直流母线电压的等级决定；M个全桥模块的工作电压之和即为直流母线电压等级；从而导致转移支路的全桥模块的数量较多，各全桥模块之间的连接多，相应的水冷管路之间的并联支路亦多，不便于直流断路器在高电压等级中的工程化应用。

技术实现要素：

本实用新型的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决在直流母线电压等级不变的前提下，减少转移支路的功率器件数量的问题。

本实用新型提供了一种直流断路器，包括：并联的主通流支路、能量转移支路和能量吸收支路，所述能量转移支路包括若干个串联的功率模块；所述功率模块包括并联的上桥臂和下桥臂，所述上桥臂及下桥臂均包括依次连接的至少四个功率器件。

优选地，所述上桥臂的至少四个功率器件包括依次连接的反向第一功率器件、正向第二功率器件、正向第三功率器件和反向第四功率器件；所述下桥臂的至少四个功率器件包括依次连接的正向第五功率器件、反向第六功率器件、反向第七功率器件和正向第八功率器件。

优选地，所述功率器件为IGBT，所述反向第一功率器件、正向第二功率器件、正向第三功率器件、反向第四功率器件、正向第五功率器件、反向第六功率器件、反向第七功率器件和正向第八功率器件分别对应为第一IGBT、第二IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT及第八IGBT；

所述功率模块包括第一电容和第二电容，所述第一电容的一端连接于所述第一IGBT与第二IGBT之间，另一端连接于第五IGBT与第六IGBT之间，所述第二电容的一端连接于所述第三IGBT与第四IGBT之间，另一端连接于第七IGBT与第八IGBT之间。

进一步地，第一IGBT的发射极与第一交流端口连接，第一IGBT的集电极与第二IGBT的集电极连接；第三IGBT的集电极与第二IGBT的发射极连接，第三IGBT的发射极与第四IGBT的发射极连接；第四IGBT的集电极与第二交流端口连接；

第五IGBT的集电极与第一交流端口连接，第五IGBT的发射极与第六IGBT的发射极连接；第七IGBT的发射极与第六IGBT的集电极连接，第七IGBT的集电极与第八IGBT的集电极连接；第八IGBT的发射极与第二交流端口连接。

优选地，所述至少四个功率器件包括依次连接的输入端反向功率器件、至少两个正向功率器件和输出端反向功率器件。

优选地，所述能量转移支路包括与所述功率模块串联的电感；或者/并且，所述能量吸收支路包括多组避雷器。

优选地，所述主通流支路包括依次串联的换流单元、电感与机械开关。

进一步地，所述换流单元包括所述功率模块，且该换流单元中的功率模块的数量少于所述能量转移支路中的功率模块的数量。

优选地，所述机械开关包括多个串联的多断口机械开关。

本实用新型还提出一种电路保护装置，其包括前述任一项所述的直流断路器和用于控制所述直流断路器中功率模块通断的控制器。

本实用新型的有益效果如下：

1、本实用新型通过在功率模块的桥臂中增加功率器件以提高单个功率模块的电压等级，使得本实用新型在不增加功率模块的数量、规格的前提下，可减少能量转移支路中的功率器件的数量，减少各功率器件之间的连接点，进而减少直流断路器中水冷管路的并联数量，提高高电压等级的直流断路器的工程化应用能力。

2、本实用新型可在每个桥臂中设置四个功率器件，通过调整IGBT的连接方向，可实现将主通流支路中双向的故障电流转移到功率器件内部，使得每个功率模块的电压等级为现有技术中功率模块电压等级的两倍；在基本不增加电路复杂性的基础上，本实用新型亦可提高直流断路器的电压等级，减小直流断路器的体积。

3、本实用新型中的功率模块亦可应用于主通流支路中，可替换主通流支路中现有的换流单元或与现有的换流单元串联，以降低主通流支路对机械开关的耐压等级要求，提高主通流支路的安全性和稳定性。

本实用新型附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本实用新型第一实施例的直流断路器拓扑图；

图2为图1所示直流断路器中功率模块的电流路径示意图；

图3为图1所示直流断路器中的单个功率模块的电气结构图；

图4为本实用新型第二实施例的直流断路器拓扑图；

图5为图4所示直流断路器中的单个功率模块的电气结构图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本实用新型的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接或无线耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的全部或任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)，具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语，应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样被特定定义，否则不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为方便说明本实用新型中各器件之间连接关系，以下实施例对应的附图中，均以电流从左向右流动进行说明；当电流从IGBT中的绝缘栅双极型晶体管集电极向发射极流动时，称为IGBT导通，该连接方向为“正向”；若电流从IGBT中的二极管中流过，则称IGBT闭锁，该连接方向为“反向”；但本实用新型中的电流亦可反向流动，而不限于图示的从左向右流动。

本实用新型提出一种直流断路器，包括并联的主通流支路、能量转移支路和能量吸收支路，所述能量转移支路包括若干个串联的功率模块；所述功率模块包括并联的上桥臂和下桥臂，所述上桥臂及下桥臂均包括依次连接的至少四个功率器件。

使用时，若直流系统正常运行，则直流断路器的能量转移支路处于闭锁阻断状态，主通流支路导通，正常负荷电流。当发生短路等故障时，触发导通能量转移支路中的多个功率模块；同时，闭锁关断主通流支路，故障电流开始向能量转移支路中的功率模块转移。转移完成后，主通流支路的电流为零，而能量转移支路维持导通状态，表现为“零电压”状态，从而使得主通流支路可以在低电压和零电流条件下内实现无弧分断。所述依次连接的至少四个功率器件可提高现有全桥功率模块的工作电压，从而简化能量转移支路中功率模块的数量。

如图1所示，本实用新型提出一种直流断路器的第一实施例，包括并联的主通流支路、能量转移支路和能量吸收支路，所述能量转移支路包括若干个串联的功率模块；其中，所述功率模块包括并联的上桥臂和下桥臂，所述上桥臂包括依次连接的反向第一功率器件、正向第二功率器件、正向第三功率器件和反向第四功率器件；所述下桥臂包括依次连接的正向第五功率器件、反向第六功率器件、反向第七功率器件和正向第八功率器件。其中主通流支路包括机械开关11、电感12和换流单元13，用于导通正常的负荷电流，在非故障状况下一直导通工作；能量吸收支路一般包括避雷器，用于吸收能量转移支路转移的电压，并对直流断路器实现过压保护。所述能量转移支路包括电感21和能量转移单元42，能量转移单元42即由若干个功率模块串联而成。

当直流系统正常运行时，直流断路器的能量转移支路处于闭锁阻断状态，主通流支路中的机械开关11闭合，少量的全桥模块连接组成的换流单元13的IGBT导通，正常负荷电流，电流通过电感12，经主通流支路流通。当发生短路等故障时，触发导通能量转移支路中的多个功率模块连接而成的能量转移单元42，同时，闭锁关断主通流支路中少量的全桥模块连接组成的换流单元13的IGBT，故障电流通过电感21，开始向能量转移支路转移。转移完成后，主通流支路的电流为零，而能量转移支路维持导通状态，表现为“零电压”状态，从而使得机械开关11可以在低电压和零电流条件下内实现无弧分断。

当机械开关11断开之后，闭锁能量转移支路中的功率模块，当直流断路器的电压上升至能量吸收支路的保护动作电压时，能量吸收支路动作，吸收短路故障能量的同时，也实现了直流断路器的过电压保护，至此，整个故障电流分断过程结束。

本实用新型中所述功率模块的每个桥臂包括四个依次连接的功率器件，每个功率模块的工作电压等级为桥臂中正向连接的功率器件或反向连接的功率器件的工作电压之和。现有技术中，全桥模块的工作电压一般仅为IGBT的工作电压，较本实用新型中功率模块的工作电压小，故本实用新型提高了单个功率模块的电压等级，可减少能量转移支路中的功率器件的数量，进而减少功率模块之间的连接点，减少直流断路器中水冷管路的并联数量，提高高电压等级的直流断路器的工程化应用能力。

基于第一实施例，本实用新型还提出另一实施例，可参照图2和图3所示，所述功率器件为IGBT，所述反向第一功率器件、正向第二功率器件、正向第三功率器件、反向第四功率器件、正向第五功率器件、反向第六功率器件、反向第七功率器件和正向第八功率器件分别对应为第一IGBT、第二IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT、第七IGBT及第八IGBT；故所述上桥臂包括依次连接的反向第一IGBT、正向第二IGBT、正向第三IGBT和反向第四IGBT；所述下桥臂包括依次连接的正向第五IGBT、反向第六IGBT、反向第七IGBT和正向第八IGBT。所述功率模块包括第一电容C1和第二电容C2，所述第一电容C1的一端连接于所述第一IGBT与第二IGBT之间，另一端连接于第五IGBT与第六IGBT之间，所述第二电容C2的一端连接于所述第三IGBT与第四IGBT之间，另一端连接于第七IGBT与第八IGBT之间。每个IGBT包括绝缘栅双极型晶体管和二极管，IGBT的工作电压为其中绝缘栅双极型晶体管的工作电压；故，本实施例中每个功率模块的电压等级为正向连接的第五IGBT的工作电压与正向连接的第八IGBT的工作电压之和，亦等于第二IGBT和第三IGBT的工作电压之和。若每个IGBT的工作电压为Udc，则本实用新型中每个功率模块的工作电压为2Udc。若能量转移支路中串联M个所述功率模块，则直流断路器的工作电压等级为2M*Udc；若设定直流断路器的工作电压为V，则需要连接的功率模块的数量Q＝V/2Udc。而现有技术中，全桥模块的工作电压为绝缘栅双极型晶体管的工作电压Udc，仅为本实用新型工作电压的一半；若使直流断路器达到相同的电压等级，需要连接的功率模块数量为本实用新型第一实施例的两倍，增加了电路的复杂性。

如图1-图3所示，所述上桥臂中第一IGBT的发射极与第一交流端口连接，第一IGBT的集电极与第二IGBT的集电极连接；第三IGBT的集电极与第二IGBT的发射极连接，第三IGBT的发射极与第四IGBT的发射极连接；第四IGBT的集电极与第二交流端口连接；

所述下桥臂中的第五IGBT的集电极与第一交流端口连接，第五IGBT的发射极与第六IGBT的发射极连接；第七IGBT的发射极与第六IGBT的集电极连接，第七IGBT的集电极与第八IGBT的集电极连接；第八IGBT的发射极与第二交流端口连接。

下面结合图3，说明本实用新型能量转移单元42的电流路径，如图所示，以电流从左到右的转移路径为例进行分析：

当异常转移电流通过若干个串联的功率模块组成的能量转移单元42时，从第一个功率模块的第一交流端口开始，电流分为两路，

异常转移电流从第一路通过上桥臂时，第一IGBT闭锁、第二IGBT导通、第三IGBT导通、第四IGBT闭锁；异常转移电流依次通过：第一IGBT中的二极管、第二IGBT中的绝缘栅双极型晶体管、第三IGBT中的绝缘栅双极型晶体管、第四IGBT中的二极管，然后在第一个功率模块的第二交流端口结束。其中，第一IGBT的E端口与第一交流端口相连接，第一IGBT的C端口与第二IGBT的C端口相连接；第二IGBT的E端口与第三IGBT的C端口相连接；第三IGBT的E端口与第四IGBT的E端口相连接；第四IGBT的C端口与第二交流端口相连接。

异常转移电流从第二路通过下桥臂时，第五IGBT导通、第六IGBT闭锁、第七IGBT闭锁、第八IGBT导通；转移电流依次通过：第五IGBT中的绝缘栅双极型晶体管、第六IGBT中的二极管、第七IGBT中的二极管、第八IGBT中的绝缘栅双极型晶体管，然后在第一个功率模块的第二交流端口结束；其中，第五IGBT的C端口与第一交流端口相连接，第五IGBT的E端口与第六IGBT的E端口相连接；第六IGBT的C端口与第七IGBT的E端口相连接；第七IGBT的C端口与第八IGBT的C端口相连接；第八IGBT的E端口与第二交流端口相连接。

按照如上的电流路径，异常转移电流依次通过第一个功率模块、第二个功率模块、第P个功率模块，完成故障电流的转移。

本实用新型还提出另一直流断路器，结合图4所示，包括并联的主通流支路、能量转移支路和能量吸收支路，所述能量转移支路包括若干个串联的功率模块；结合图5所示，所述功率模块包括两个并联的桥臂，每个所述桥臂包括依次连接的输入端反向功率器件、至少两个正向功率器件和输出端反向功率器件。

在图4和图5所示的第二实施例中，所述功率器件为IGBT，上桥臂的所述输入端反向功率器件为靠近第一交流端口的第十一IGBT，所述输出端反向功率器件为靠近第二交流端口的第十四IGBT，第十一IGBT与第十四IGBT之间设有两个正向的第十二IGBT和第十三IGBT；下桥臂与上桥臂对称设置，下桥臂的所述输入端反向功率器件为靠近第一交流端口的第十五IGBT，所述输出端反向功率器件为靠近第二交流端口的第十八IGBT，第十五IGBT与第十八IGBT之间设有两个正向的第十六IGBT和第十七IGBT。

所述功率模块还包括第一电容C1和第二电容C2，所述第一电容C1的一端连接于上桥臂第十一IGBT与第十二IGBT之间，另一端连接于第十五IGBT与第十六IGBT之间，所述第二电容C2的一端连接于所述第十三IGBT与第十四IGBT之间，另一端连接于第十七IGBT与第十八IGBT之间。每个IGBT包括绝缘栅双极型晶体管和二极管，当电流从输入端流入时，IGBT的工作电压为其中绝缘栅双极型晶体管的工作电压；故，本实施例中每个功率模块的电压等级为反向连接的第十六IGBT的工作电压与反向连接的第十七IGBT的工作电压之和，亦等于第十二IGBT和第十三IGBT的工作电压之和。若每个IGBT的工作电压为Udc，则本实用新型中每个功率模块的工作电压为2Udc。若能量转移支路中串联M个所述功率模块，则直流断路器的工作电压等级为2M*Udc；若设定直流断路器的工作电压为V，则需要连接的功率模块的数量Q＝V/2Udc。

所述上桥臂中第十一IGBT的发射极与第一交流端口连接，集电极与第十二IGBT的集电极连接；第十三IGBT的集电极与第十二IGBT的发射极连接，发射极与第十四IGBT的发射极连接；第十四IGBT的集电极与第二交流端口连接；所述下桥臂中的第十五IGBT的发射极与第一交流端口连接，集电极与第十六IGBT的集电极连接；第十七IGBT的集电极与第十六IGBT的发射极连接，发射极与第十八IGBT的发射极连接；第十八IGBT的集电极与第二交流端口连接。

下面结合图5，说明本实用新型第二实施例中能量转移单元42的电流路径，如图所示，以电流从左到右的转移路径为例进行分析：

当异常转移电流通过若干个串联的功率模块组成的能量转移单元42时，从第一个功率模块的第一交流端口开始，电流分为两路，

异常转移电流从第一路通过上桥臂时，第十一IGBT闭锁、第十二IGBT导通、第十三IGBT导通、第十四GBT闭锁；异常转移电流依次通过：第十一IGBT中的二极管、第十二IGBT中的绝缘栅双极型晶体管、第十三IGBT中的绝缘栅双极型晶体管、第十四IGBT中的二极管，然后在第一个功率模块的第二交流端口结束。

异常转移电流从第二路通过下桥臂时，第十五IGBT闭锁、第十六IGBT导通、第十七IGBT导通、第十八IGBT闭锁；转移电流依次通过：第十五IGBT中的二极管、第十六IGBT中的绝缘栅双极型晶体管、第十七IGBT中的绝缘栅双极型晶体管、第十八IGBT中的二极管，然后在第一个功率模块的第二交流端口结束。

按照如上的电流路径，异常转移电流依次通过第一个功率模块、第二个功率模块、第P个功率模块，完成故障电流的转移。

本实用新型还提出第三实施例，在第二实施例中的第十一IGBT与第十四IGBT之间设置两个以上的正向连接的IGBT，对应地，第十五IGBT与第十八IGBT之间亦设置同样数量的正向连接的IGBT。当电流从输入端进入时，所述IGBT的工作电压为其中绝缘栅双极型晶体管的工作电压；当第十一IGBT与第十四IGBT之间与第十五IGBT与第十八IGBT之间同样数量的两个以上的正向连接的IGBT时，每个功率模块的电压等级为第十五IGBT与第十八IGBT之间的各个IGBT的工作电压之和；例如第十一IGBT与第十四IGBT之间设有四个正向的IGBT，若每个IGBT的工作电压为Udc，则每个功率模块的工作电压为4Udc。由于IGBT中的绝缘栅双极型晶体管的连接具有方向性，当本实施例中的电流反向流动时，其工作电压为第十五IGBT与第十八IGBT的工作电压之和，第十五IGBT与第十八IGBT之间的IGBT的数量对工作电压不造成影响。故本第三实施例中功率模块的工作电压因电流流向不同而不同，使用时具有方向性。

如图2或图4所示，所述能量转移支路包括与所述功率模块串联的电感21，以在主通流支路向能量转移支路转移电流时，使能量转移支路的电流不至于突变，减小对能量转移单元42中各模块的冲击；该电感21还可与所述电容形成LC震荡电路，以将故障电流转移至能量转移支路中。

在本实用新型的另一实施例中，所述能量吸收支路包括多组避雷器。当机械开关11断开之后，能量转移支路中的IGBT闭锁，当直流断路器的电压上升至多组避雷器的保护动作电压时，多组避雷器动作，吸收短路故障能量。

本实用新型的所述主通流支路可包括依次串联的换流单元13、电感12与机械开关11，所述换流单元13可采用本实用新型所述的功率模块，例如图3所示的功率模块，亦可采用现有技术中的换流单元。当所述换流单元13中包括多个所述功率模块时，可减少对所述机械开关11的电压要求；所述功率模块的数量可根据主通流支路上机械开关11的耐压决定的，换流单元13中功率模块的数量越多，机械开关11的耐压等级就越低；换流单元13中功率模块的数量越少，机械开关11的耐压等级就越高；但换流单元13中的功率模块的数量应少于所述能量转移支路中的功率模块的数量，以使能量转移支路比所述主通流支路具有更小的导通电阻。故本实用新型还提出另一实施例：所述换流单元13包括本实用新型所述的功率模块，且该换流单元13中的功率模块的数量少于所述能量转移支路中的功率模块的数量。

为提高机械开关11的短路分断能力和延长开关的电气寿命，所述机械开关11可为多断口机械开关，亦可包括多个串联的多断口机械开关。

基于以上直流断路器，本实用新型还提出一种电路保护装置，其包括前述任一项所述的直流断路器和用于控制所述直流断路器中功率模块通断的控制器，所述控制器可根据预设数值控制各绝缘栅双极型晶体管的通断，以达到转移和吸收故障电流的目的。

以上所述仅是本实用新型的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。