DC固态断路器和DC断路器系统的制作方法

本发明属于电学领域。特别地，本发明是一种由功率晶体管、电容器和电阻器的电路装置组成的紧急保护设备。这种类型的保护装置通常被称为固态断路器(sscb)，因为它能够在不依赖于移动部件的情况下断开电流流动。

背景技术：

1、现有技术中已经知道与本发明相关的若干专利和科学文献。在专利cn107834526-b中公开了一种混合固态断路器的简单结构。在专利申请wo2020/178032-a1中，提出了一种用于中断电路线中的电流的混合断路器，包括用于连接到电力线的输入端子和用于连接到dc系统的输出端子。在cn106159880-a中，提出了一种dc固态断路器，包括短路保护单元、充电开关单元和主开关单元。

2、由于电力系统中的分布式发电和可再生资源的高需求，固态断路器或sscb的开发是研究的领域。为了优化系统的能量密度，额定电压和电流不断增加，这正在为管理能量源连接的保护和操纵提出新的挑战。电池系统与高值的短路电流和功率以及控制系统的快速动态的集成正使得传统的机械和热系统达到其功能极限。

3、半导体和固态元件在实际市场中的高度发展，比电力电子和电能的转换领域高得多，推动了这种解决方案作为解决直流电力设施中的短路管理以及前述快速动态问题的方式。

4、现在，纳米电网和微电网(例如包括在船舶中的那些)需要一些保护以防止短路[1]。具有在电池中储能的光伏或风电场设备是这些微电网的示例。在故障的情况下能够中断系统是重要的要求。虽然现今交流电网(ac)流行，但是直流电网(dc)由于其更高的效率和与可再生能源的容易集成而正获得关注。由于这个原因，在这种情况下需要sscb，因为与机械断路器相比，sscb具有故障中断的可靠性和轻微延迟。目前，由于许多研究组的研究，出现了许多固态断路器(sscb)解决方案[2]。

5、sscb能够比传统的机械断路器至少快一个数量级地限制电流(由于使用半导体，这是可能的)。因此，半导体上的功率损耗高于传统机械断路器中的功率损耗。这导致更大的损耗，使得其性能成为深度热设计的关键。有一些重要的事实需要考虑，例如总的系统效率、开路损耗和在开路中驱动到更高能量的故障的电流检测。

6、在电网中的sscb实施可以在低压(lv)和中压(mv)/高压(hv)电网中以及同时在ac和dc电网中进行区分。对所有情况的要求总是相同的，通过有效的故障排除，以快速和有效的方式执行防止集成电网的部件断路的保护短路操作。

7、在交流(ac)电网中，短路排除容易执行，从而在过零点中断开电流，这使得来自短路回路的杂散电感中存储的瞬时能量归零，并且不允许由来自该电感的能量崩溃产生的任何电弧。

8、在直流(dc)电网中，电流在存在短路时从不进行过零，并且取决于功率回路的电感，短路电流的上升比可以更高或更低。这样，dc的目的是尽可能快地断开短路电流，并且这涉及通过诸如缓冲器和变阻器的过压保护电路吸收该电感的能量的系统。

9、低压dc电网的主要应用是dc和电池系统中的配电。一个例子可以是小型高能社区和具有电池的分布式发电系统。dc电网可能具有比其标称电流高得多的电流故障。它取决于电网的性质，其中，取决于所管理的功率，如在电池的情况下，它可以在几微秒内达到150ka。这些高值会导致系统中的灾难性故障。

10、在dc配电中，负载和转换系统具有电容器，以便减小电压纹波并稳定电源条件，并且此外，这些电容器过滤由于切换功率转换器的半导体而产生的高频。这些电容器由于当它们连接到电网时的低阻抗而存在一些问题，当它们被放电时产生高连接电流并且试图存储必要的能量以与它们连接处的电压相等。以相同的方式，在低阻抗故障的情况下，来自这些电容器的动态放电做出巨大的能量贡献，直到它们被完全放电或故障被排除。这些瞬时能量贡献涉及不能被典型的断路器排除的短时间高幅度电流峰值。

11、此外，相同的问题出现在中压(mv)电网中，但是另外，由于高电压管理，半导体的限制出现。复杂的串联和并联半导体电网以及高级保护集成了用于mv电网的sscb。

12、目前，主要的挑战是在处理不同材料和拓扑的dc中进行重大保护。不仅使用硅半导体。在[3]中使用了被称为宽带隙半导体的sic(碳化硅)和gan(氮化镓)基半导体。在[4]中使用单片双向gan用于sscb。此外，还存在sic jfet等以其他材料为基础的、连接在一起作为主静态开关的双向sscb。

13、考虑到它们在短路前的热特性，sic处理的器件由于其较低的电阻而具有较好的性能[5]。此外，存在可直接连接而无需额外的布线或外部电源的自供电sscb[6]和其它替代方案，例如基于sic的mosfet，以解决过电压的快速中断问题且另外不降低sscb的快速中断能力。

14、目前，正在研究使用sic为主开关的超高速sscb、半导体限制器和控制器。该拓扑可以在三种不同状态下操作：接通、线性限流器和断开。旧系统的存在、电气系统分散及其分布使得系统的本地基础设施复杂化，并且由于与传统系统的单向流成对比的双向功率流，还产生新的问题。sscb能够解决所有这些问题。

15、在短路期间，在中压电网中可能发生强的电压降，从而影响作为家用电源的一些仪器或电子元件。在[7]中概述了由故障排除产生的电压浪涌或电压降的影响，并且描述了所选择的半导体对电网中的sscb的影响。在低电压中，还需要一些防止短路的快速保护，并且由于机械开关的缓慢行为，孔系统(hole system)必须过大，从而产生更高的成本。在[8]中，从热学角度分析了用于多个并联负载的sscb的基于igct的设计，包括短路排除中的半导体所吸收的功率。

16、由于存储在sscb中的系统杂散电感中的能量的可能崩溃，所以针对浪涌的sscb保护是主要关注点之一。sscb已经被针对具有rcd+mov的dc中的连续电源进行了优化，以便减小器件的电压压力。sscb在高电压方面提供其它显著的优点，例如高速度和耐久性。

17、在[9]中提出了预充电的电容器拓扑结构，以平滑工作浪涌并避免半导体串联中的误差。sscb模块性概念扩展到hvdc(高压直流)。基于igbt技术的被设想为保护单元的半导体电网配置有故障管理和短路电流限制。半导体的浪涌保护考虑在hvdc中是相同的，但是解决方案逐步升级到标称电压范围。

18、考虑到硅基材料，在hvdc中存在比基于igbt的解决方案更多的解决方案。此外，igct、iegt、scr、gto、cs-mct和其它技术根据额定功率(电压和电流)而出现。存在双向sscb，其当前被利用以反串联配置连接的单向传导器件来实现，或者最近基于优化的rb-igct发展，以便具有非常低的传导损耗[10]、[11]。

19、根据现有技术，所提出的发明旨在通过消除引起损耗的中间组件同时保持运行中的全功能系统并排除dc系统中的故障来解决sscb系统中的效率问题。

20、参考文献

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技术实现思路

1、本发明涉及一种dc固态断路器(sscb)及其操作方法。作为保护装置，sscb连接在dc源或能量存储系统(通常为电池)与dc负载之间。dc源和dc负载都由sscb的操作保护。

2、sscb包括通常连接到dc源的第一功率端子和通常连接到dc负载的第二功率端子。在dc负载的正常操作期间，这两个功率端子将彼此连接。然而，在故障时，sscb将断开该连接。

3、为了实现这个功能，sscb包括连接在sscb的第一和第二功率端子之间的功率模块。功率模块包括至少一个受控半导体(通常为igbt，尽管mosfet或gto也是可用的选择)，当电流循环时，该受控半导体能够断开和闭合在sscb的第一和第二端子之间的连接。

4、本发明的sscb进一步包括dc链路(或dc链路电容器、将不同电网耦合到一个dc电压电平的中间电路电容器)和至少一个能够将电流流动限制到特定方向的半导体。dc链路包括一个电容器或多个彼此串联和/或并联连接的电容器。半导体可以是例如二极管。dc链路和半导体串联连接在sscb的第一与第二功率端子之间，使得dc链路更靠近sscb的第一功率端子，并且半导体更靠近sscb的第二功率端子。

5、有利地，该配置提供了sscb的以下特性：

6、-当功率模块闭合sscb的第一端子和第二端子之间的连接时，电流能够在这些端子之间自由流动。这是dc系统的正常操作期间的状态。

7、-当功率模块断开sscb的第一端子与第二端子之间的连接时，馈送dc负载的电流必须流过dc链路和半导体或流过dc链路和预充电系统(第三功率端子)，在此处阻抗较低。这样，dc链路将充电，产生与电流流动相反的电压。电流流动将因此减小，最终消失。这是dc负载故障时的预期状态。

8、为了尽可能快地减小故障电流，在操作dc负载之前对dc链路充电。dc链路在正常操作期间也保持充电。为了实现这一点，sscb进一步包括第三功率端子。该端子旨在连接到与第一功率端子不同的电压。例如，如果第一功率端子连接到dc源的正极，则第三端子可以连接到dc源的负极，反之亦然(取决于电路拓扑和系统电压)。

9、dc链路和半导体之间的中间节点通过预充电系统连接到第三功率端子。预充电系统包括阻抗(优选地为电阻器)以及可选地包括与阻抗并联连接的第一接触器。

10、如果存在，则第一接触器在操作开始之前断开，使得dc链路由于电流流过阻抗而缓慢充电。一旦dc链路被充分充电，第一接触器闭合。这样，当操作开始时，dc链路电压是sscb的第一功率端子和第三功率端子之间的电压差。

11、有利地，以这种方式放置预充电系统最小化了在正常操作、启动和第一连接期间流过第一接触器的电流，因为电容器已经被充电。该电路布置还减少了正常操作期间的预充电系统损耗，如果将预充电系统放置在dc链路和第一功率端子之间，则该损耗将更高。

12、在故障期间保持第一接触器闭合确保dc链路电压不会由于任何电流流过阻抗而显著改变。这样，减少了减少故障电流所需的时间。它还迫使第二和第三功率端子之间的电压被限制，从而防止任何功率馈送故障。为了其它优点，在预充电系统中可以包括附加的接触器。

13、当例如通过控制单元命令sscb时，遵循的最小步骤包括：

14、1.在操作dc系统之前，通过预充电系统对dc链路预充电。该步骤通过连接第一和第三功率端子来实现，并且如果存在，则保持第一接触器断开直到dc链路被充分充电，并且一旦其电压达到特定阈值就闭合它。

15、2.一旦dc链路被充电，则命令功率模块闭合sscb的第一功率端子和第二功率端子之间的连接。这样，dc负载变成连接到dc源并且可以正常操作。此时，第二功率端子连接到dc负载，并且命令功率模块闭合该连接。

16、3.在故障检测时或当dc负载打算断开时，命令功率模块断开sscb的第一和第二功率端子之间的连接。这样，由于故障引起的任何过电流将被迫通过半导体或第三功率端子，并且第二和第三功率端子之间的电压将被限制，并且将不允许附加电力来馈送故障。