双向H桥IGCT固态断路器的制作方法

本发明涉及直流电网故障保护领域，尤其涉及一种双向h桥igct固态断路器。
背景技术：
：区别于传统的交流电网，直流电网在发生短路时，由于没有电压过零点，常规断路器无法瞬间关断直流大电流，进行故障保护，因而双向直流固态断路器应运而生，正在发展中的直流电网，尤其是船舶的综合电力系统离不开高压大功率能快速关断的双向直流固态断路器的应用。近几年，国内外开发成功的双向直流固态断路器多为混合式断路器，关断时间一般在3毫秒以上，难以满足大型船舶直流电网需要微秒级快速关断的短路故障保护要求。尤其是针对特殊用途的船舶，其直流电网电压上升到10kv以上后，对直流断路器的快速关断和系统可靠性提出了更高的要求。由于目前市场上尚不具备该类产品，国内外开始研究开发这种微秒级快速关断型固态断路器。技术实现要素：本发明出于能耗考虑，旨在提供一种整机通态损耗低的双向直流固态断路器，用于实现100us内的可靠关断。本发明的技术研发思路如下所示：目前，现有技术中对双向直流固态断路器主要有半控器件型结构、全控器件h桥式结构、全控器件反并联结构、全控器件反串联结构四种方案，电气拓扑具体为：(1)半控器件型结构见图1，半控器件型结构的核心为反向并联的半控器件，如图中所示两条可控硅支路，当能量正向流动时，开通正向串联的可控硅ty1，能量正向流动，如果能量需要反向流动，关掉ty1，开通ty2，能量即可反向流动。(2)全控器件h桥式结构见图2，全控器件h桥式结构需要四组二极管组件及一组全控器件实现双向通流及分断，其中，二极管组件d1、全控器件t1以及二极管组件d4实现正向通流回路，而二极管组件d3、全控器件t1以及二极管组件d2实现反向通流回路。(3)全控器件反并联结构见图3，全控器件反并联结构需要两组二极管组件及两组全控器件实现双向通流及分断，其中，正向通流时，开通全控器件t1以及二极管组件d1，此时全控器件t2关断，反向通流时，开通全控器件t2以及二极管组件d2，此时全控器件t1关断。(4)全控器件反串联结构见图4，全控器件反串联结构需要两组二极管组件及两组全控器件，正向通流时，开通全控器件t1以及二极管组件d2，此时全控器件t2关断；反向通流时，开通全控器件t2以及二极管组件d1，此时全控器件t1关断。上述四种方案中，若采用半控器件型结构来制作10kv/5ka双向直流固态断路器，其最大技术瓶颈在于主回路采用的是半控器件，即晶闸管，因而难以保证主回路在100us内可靠关断，具体理由如下：普通晶闸管能承受的最大通态电流临界上升率(di/dt指标)为200a/us，关断时间一般在500us到1ms之间，且其在关断时的电流临界变化率还会比最大通态电流临界上升率指标要小，不能超过100a/us。如果在关断开始时电流为10000a，保守取电流关断变化率为50us，则最短关断时间为10000/50＝200us，亦即采取普通晶闸管，哪怕是瞬时为晶闸管加上足够反压，晶闸管的关断时间也在200us以上，甚至，能不能做到200us内关断，目前还尚未有反压关断应用案例，还需要做大量的试验验证。对于快速晶闸管，其最大通态电流临界上升率为1000a/us，通态平均电流为2845a，断态重复峰值电压为3500v到4500v，通态门槛电压vt0为2.18v，通态峰值电压vtm最大3.40v(通态管压降)，典型应用关断时间也在150us，很明显，采用快速晶闸管也不能实现主回路在100us内可靠关断，而且快速晶闸管的通态管压降大于普通晶闸管，是普通晶闸管的两倍多，不适于长期通流，甚至，要达到10kv/5ka的直流断路器应用要求，需要6个串联，主回路损耗将达到约3.4v×6×5ka＝102kw。综合来看，根据当今普通晶闸管还是快速晶闸管的技术水平，这两种半导体开关都不能满足10kv/5ka双向直流固态断路器对100us内可靠关断的技术应用要求。而对于全控器件h桥式结构、全控器件反并联结构、全控器件反串联结构三种方案，可从功率器件数目、设计复杂程度、可靠性以及经济性等方面进行对比，如表1所示：表1三种双向固态断路器方案对比根据表1，可知：(1)从经济成本角度分析，三种双向固态断路器方案具有相同数目的功率器件，但不同在于，反并联结构与反串联结构需要两倍的全控器件。由于全控器件的价格昂贵，因此反并联结构与反串联结构的双向固态断路器的经济成本相对较高，而h桥式结构的价格成本相对最低。(2)从结构设计角度分析，由于三种双向固态断路器方案都需要多组全控器件并联及二极管器件并联方式实现大电流分断，因此并联功率组件的结构设计以及并联组件间布局使得三种方案的结构设计都相对困难。即便反并联结构与反串联结构可用逆阻型或逆导型全控器件来简化整体的结构布局，但由于逆阻型或逆导型全控器件的额定电流相对较低，因而需要更多的全控器件并联，导致反而增加了并联组件结构设计难度，同时增加了并联功率组件间各器件支路均流的设计难度，使得两种方案的可靠性降低。而根据15ka双向固态断路器的设计指标，h桥式结构相对于其它两种方案的占地面积较小。(3)从技术难度角度分析，双向h桥式结构的设计需解决快速关断时全控器件反向过电压问题以及并联功率器件的均流问题，而反并联结构与反串联结构的设计不但需要解决全控器件反向过电压与并联均流问题，同时还需要解决电流换向时的两组全控器件的开通关断逻辑控制。结合经济成本、控制难度以体积等因素对比，可见h桥式结构相对于其它两种双向固态断路器拓扑更具优势，因此，选用h桥式结构方案来实现10kv/5ka双向直流固态断路器的双向通流与开断。选定固态断路器拓扑后，需选取合适的全控器件应用于h桥式结构。目前，全控器件中具有性能优势的有igbt器件、igct器件等，下述对两者进行对比分析。由于单个全控器件无法满足5ka大电流的开断要求，需要多个全控器件并联来实现其大电流的分断及通流要求，因而本发明选取了压接式封装的全控器件，该封装形式易于实现全控器件的并联结构。针对10kv/5ka断路器的技术要求，选取了目前市场上主流的2款断态峰值电压为4.5kv的压接式封装全控器件，分别是型号为5sja3000l450300的igbt器件(abb)、型号为5shy35l4522的igct器件(abb)，两者参数对比如表2所示：表2全控器件参数对比从上表2得出，在开断瞬间损耗对比下，igct器件的开断损耗较低，但过流能力较弱，而igbt器件的过流能力较强，但开断损耗较高。出于能耗考虑，优先保障开断损耗低的需求，结合固态断路器一次开断的特点，选用igct器件应用于h桥式结构。基于上述，提出下述双向h桥igct固态断路器方案，包括四条二极管支路l1、l2、l3、l4，所述二极管支路l1、二极管支路l2以相同导通方向相接从而形成支路j1，所述二极管支路l3、二极管支路l4以相同导通方向相接从而形成支路j2，所述支路j1、支路j2反向并联；还包括igct集群，所述igct集群具有多只相互连接的igct器件，所述igct集群的一端连接至支路j1、支路j2之间的其中一个接点，所述igct集群的另一端连接至支路j1、支路j2之间的另一个接点。进一步地，所述igct集群中的igct器件之间形成有并联结构以扩大通流量。进一步地，所述并联结构中各只igct器件的自身参数一致且电路布局对称，从而达到igct并联均流。进一步地，所述并联结构有多组，各组所述并联结构相互串联以提高额定工作电压。进一步地，各组所述并联结构中的igct器件数量相同。进一步地，各只所述igct器件之间用无感铜排连接，各组所述igct并联组件的无感铜排保证对称一致。进一步地，为实现动态均压，所述并联结构并联有rc阻容吸收支路，同理，每条所述二极管支路中的二极管均并联有rc阻容吸收支路。进一步地，为了进一步吸收瞬态尖峰电压，所述并联结构并联有压敏电阻，且具体为氧化锌压敏电阻。进一步地，每条所述二极管支路具有多个二极管，各二极管以相同导通方向相互串联从而形成二极管组件。进一步地，为确保系统可靠保护，所述双向h桥固态断路器的输入端和/或输出端上串联有限流电感。有益效果：本发明的双向h桥igct固态断路器具有通态损耗低，断路器的效率高，电流分断能力强，开关元件少，保护时间短的特点，可实现100us内的微秒级可靠关断。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1示出了现有技术中半控器件型结构的电气拓扑；图2示出了现有技术中全控器件h桥式结构的电气拓扑；图3示出了现有技术中全控器件反并联结构的电气拓扑；图4示出了现有技术中全控器件反串联结构的电气拓扑；图5示出了本发明双向h桥igct固态断路器的电气拓扑；图6示出了igct器件开通与关断过程的状态图。具体实施方式为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本实施例的双向h桥igct固态断路器方案如图5所示，由四组二极管组件及一组igct集群组成。每组二极管组件均设有导通方向相同的多个二极管相互串联。以二极管d1-d3所在组件为二极管组件l1，以二极管d4-d6所在组件为二极管组件l2，以二极管d7-d9所在组件为二极管组件l3，以二极管d10-d12所在组件为二极管组件l4。将二极管组件l1、二极管组件l2以相同导通方向相接从而形成支路j1，将二极管组件l3、二极管组件l4以相同导通方向相接从而形成支路j2，然后将支路j1、支路j2反向并联。igct集群由多组igct并联组件依次串联形成，其中每一组igct并联组件均设有多个igct器件相互并联。igct集群的一端连接至支路j1、支路j2之间的其中一个接点，igct集群的另一端连接至支路j1、支路j2之间的另一个接点。上述中，igct器件的型号选用为cac4000-45-02，其主要技术参数如下表3所示。符号参数名称参数vdrm断态重复峰值电压4500vitgqm最大可关断电流4000aitsm不重复浪涌电流35.0kavto门槛电压1.05vrt斜率电阻0.213mωvdclink中间直流电压2800vidrm断态重复峰值电流50mavrrm反向电压17vit(av)通态平均电流2150ait(rms)通态方均根电流2730avtm通态电压1.9vdit/dt通态电流临界上升率1000a/usrthjc结壳热阻8.5k/kwrthch接触热阻3.0k/kwtvj工作结温范围-40～125℃表3igct器件cac4000-45-02主要技术指标由于双向h桥igct固态断路器的额定运行电流为5ka，最大分断电流为30ka，按igct最大可关断电流4ka计算，并联器件数目为＝30ka/4ka＝7.5，取整数8只，即每组igct并联组件器需要8只igct器件并联。当双向h桥igct固态断路器采用8只igct器件并联时，在额定电流5ka运行时，实际每只igct上电流仅为5ka/8＝625a，考虑0.2的均流系数偏差，每只igct上也只有782a，远小于igct器件的最大均方根电流。而双向h桥igct固态断路器的额定运行电压为10kv，关断时反向关断电压达20kv，为稳妥起见，计算igct串联数目时留出均压系数偏差0.2的裕量，取24kv，因为采用cac4000-45-02的igct的断态重复峰值电压为4500v，则串联数量为24000/4500＝5.33，取为6只串联。所以，双向h桥igct固态断路器采用型号为cac4000-45-02的igct八并六串方式，即8个igct先并联成一组以扩大通流量，然后6组串联以提高额定工作电压，解决大电流和高电压问题。进一步地，由于传输大电流，各igct之间用无感铜排连接，且各组igct并联组件的无感铜排保证一致且对称。对于二极管，采用型号为zpe6500-85，其主要的电气参数技术指标如表4所示。符号参数名称参数vdrm断态重复峰值电压8000vif(av)正向平均电流6510aif(rms)正向均方根电流10200aifsm正向不重复浪涌电流112kavfo门槛电压1.05vrf斜率热阻0.09mωrthjc结壳热阻2.8k/kwrthch接触热阻0.5k/kw表4二极管zpe6500-85的技术指标由于双向h桥固态断路器的额定运行电流为5ka，二极管正向平均电流为6.5ka，正向不重复浪涌电流为112ka，远大于断路器的最大关断电流30ka，而额定电流小于二极管正向平均电流，所以电流方面二极管无需并联。考虑到断路器在关断时电压会升到20kv，而二极管断态重复峰值电压仅为8000v，需要通过二极管串联满足耐压要求，由于np＝20000/8000＝2.5，对每组二极管组件取3个zpe6500-85二极管进行串联。为确保系统可靠保护，考虑到硬件响应时间(传感器响应延迟、线路传播延迟、控制硬件延迟及igct动作延迟等)，需在双向h桥固态断路器的输入端和/或输出端(即port1端和/或port2端)上串联图中未示出的限流电感。计算限流电感时，按系统从回路电流超过保护阈值6.75ka(额定工作电流的1.35倍)时刻起，到igct完全关断时刻止，此过程延迟为10us计算，拟定igct实际完全关断时刻的回路电流上升至保守极限值10ka，此时开关两端(igct群)电压升到20kv，并以此为依据计算断路器所需增加的限流电感。由于igct器件关断时产生瞬态过电压，因而在每一组igct并联组件上并联一rc阻容吸收支路，如r1-r5、c1-c5串联所构成支路，一方面，通过动态均压保证igct器件不会过压而损坏，另一方面，增加固态断路器换流至电阻支路时间，降低换流时的di/dt。同样，由于二极管在关断过程中会出现反向恢复电荷的差异，引起关断过程中瞬态电压分配不均衡，为解决该问题，每个二极管上也并联一rc阻容吸收支路，如r6-r17、c6-c17，以便吸收瞬态过电压。为了进一步吸收瞬态尖峰电压，在每一组igct并联组件上并联一氧化锌压敏电阻，如mov1-mov5。根据氧化锌压敏电阻典型v-i特性曲线可知，在固态断路器关断时，当igct并联组件峰值电压超出氧化锌压敏电阻额定电压时，压敏电阻工作在击穿区，此时其会迅速吸收尖峰能量，保证igct器件不会过压而损坏。而当igct器件两端瞬态电压低于压敏电阻的额定电压时，压敏电阻工作在预击穿区，此时等效为m欧级以上的绝缘电阻，通过压敏电阻的电流为微安级。为达到igct并联均流，要求同组igct并联组件中各igct自身参数一致且电路布局对称，即igct必须为正温度系数器件，且要求同一批次晶片，且保障开通时间、关断时间、通态阻抗、预触发电压、漏电流等方面一致性匹配。同样，二极管要求同一批次晶片，且保障开通时间、关断时间、通态阻抗、漏电流等方面一致性匹配。基于上述结构，可得双向h桥igct固态断路器中igct器件的开通与关断状态过程如图6所示。在器件关断过程中的极短时间内，igct器件阳极电流从门极流出，使得igct器件瞬间从导通转到阻断状态。而具体工作流程如下所述：(1)双向h桥igct固态断路器的开通过程：见图5，以电流从port1端流向至port2端为例，电流流经二极管组件l1以及igct集群e1-e40，以及二极管组件l4，此时igct集群中的rc吸收回路向igct放电，构成一个内循环，直到电容c上的电荷完全泄放。(2)双向h桥igct固态断路器的关断过程：当igct器件接收关断信号后，流向igct器件的阴极电流转移到门极，此时igct器件两端电压快速上升，达到igct集群以及二极管组件l1与l2中的阻容回路吸收关断时的峰值过电压后，由mov1-mov5吸收多余的能量。本实施例的双向h桥igct固态断路器具有如下优势：(1)额定电压可达10kv级别，额定电流可达5ka级别。(2)通态损耗低，单个igct并联组件的通态电压ut＝1.05+0.213×10-3×5000/8＝1.183125v，则额定工作情况下的直流断路器igct通态损耗大约为1.183125×6×5ka＝35.5kw；断路器通态工作时，按额定电流计算为二极管损耗＝1.05×5000×6＝31.5kw；控制电路、动态均压电路等损耗较小，取3kw；则断路器总的损耗为：35.5+31.5+3＝70kw；断路器的效率可达：(10×5000-70)/(10×5000)＝99.86％。(3)保护时间短，从发生故障到关断，整个时间100微秒以内，远低于市场上混合式断路器的3毫秒。(4)电流分断能力强，电流分断能力达30ka，也就是说主回路的电流达到30ka时，开关都能分断。(5)h桥式断路器结构，开关元件节约一半。(6)首创6串8并方式，8个igct先并联成一组以扩大通流量，然后6组串联以提高额定工作电压，解决大电流和高电压问题。(7)断路器配置有限流电感，以限制负载短路上的上升电流。(8)均压一致性达0.9以上系数，均流一致性不低于0.9。最后应当说明的是，以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。当前第1页12