專利名稱：諧振型直流固態斷路器的制作方法
技術領域：
發明涉及一種固態斷路器，尤其涉及一種諧振型直流固態斷路器。 背景4支術
固態斷路器(Solid State Circuit Breaker,簡稱SSCB)是用來快速 切斷故障的一種新型電力自動化設備。目前使用的比較多的是交流固態斷路 器，其結構如圖l所示，其主要由兩部分組成RC緩沖吸收電路和兩個反并 連接的固態開關，其中，該固態開關可以為可關斷晶閘管GTO (Gate Turn-Off Thyristor，簡稱GTO)或絕緣柵雙極型功率管IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor,簡稱IGBT)。因現有的常用功率器件的過載能力4^f氐，所以固 態斷路器常與限流器組合使用來實現短路情況下的故障開斷，其結構如圖2 所示，它主要由主開關單元A (GT0組成)、限流單元和氧化鋅避雷器單元構 成。正常工作時，GTO處于導通狀態；當發生故障時，GTO迅速斷開，故障 電流流過限流電抗器，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。^f旦是這種由全控器件構 成的固態開關裝置大多應用于交流配電網，而應用于直流電網時則存在以下 問題
(1)直流線路中無自然過零點，流過的電流為一恒定值，不存在在過 零點附件進行控制的可能性。當固態開關(如GTO、 IGBT)動作時承受的電流、電壓應力非常大，現有的器件一般很難滿足。這就要求針對直流的這一 特點，減緩裝置動作時固態開關承受的電流(壓)應力，避免損壞裝置。
(2) 現有的功率器件的過載能力較低、分斷容量偏小，裝置能承受的 過載倍數較小。當流過的電流較大時，需對器件進行幾倍的降額使用，造成 器件使用的浪費同時需提供可靠的驅動及同步控制技術。
(3) GT0、 IGBT等可采用的全控器件通態損耗大。目前能通過2kA的大 功率GT0的通態壓降約2V,正常運行時損耗約為4kW,在高壓、大電流場合 場合需采用多個器件進行串、并連，損耗相當可觀，也增大了裝置的散熱要 求和運營成本。
目前這幾個問題都沒有得到很好的解決，因此限制了固態斷路器在直流 4貞;或的應用。

發明內容
本發明目的是針對現有技術存在的缺陷提供一種諧振型直流固態斷路 器，改變已有的電路結構，以避免使用昂貴的全控器件及其在開關動作瞬間 承受的電流(壓)應力過大和過載能力低對固態斷路器應用的限制，實現固 態斷路器的軟開通和軟關斷。
本發明為實現上述目的，采用如下技術方案
本發明諧振型直流固態斷路器，包括直流電源和負載，其特征在于還包 括主開關單元A和輔助開關單元B，其中主開關單元A包括主開關晶閘管 和主開關功率二極管，輔助開關單元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、儲能脈沖電容和輔助開關功率 二極管；直流電源的正輸出端分別接第一晶閘管的陽極、主開關晶閘管的陽極和主開關功率二極管的陰極，直流電源的負輸出端分別與輔助開關功率二 極的陽極、第四晶閘管的陰極和負載的負輸入端連接接地，主開關功率二極 管的陽極分別接主開關晶閘管的陰極、負載的正輸入端、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能脈沖電容的 輸入端，第二電感的輸出端接第三晶閘管的陽極，儲能脈沖電容的輸出端分 別接第四晶閘管的陽極和輔助開關功率二極管的陰極。
本發明的有益效果如下
1、 從開關動作瞬間功率器件的損耗來說，采用諧振軟開關的思想避免 了硬開通(關斷)對功率器件造成的損壞及關斷時裝置過載倍數設定值低的 缺點，制造了直流領域的過零點，實現了功率器件的軟開通(關斷)，提高 了裝置的可靠性。
2、 從采用的功率器件來說，省去了采用昂貴的全控功率器件(如GT0、 IGBT)的費用，增大了裝置的容量，降低了裝置的通態損耗、散熱要求、制 造費用及運營成本，因為本發明采用的普通晶閘管SCR (Silicon Controlled Rectifier)是目前市場化使用的功率器件中單管容量最大和通態壓降最低 的器件。
3、 從能量的角度來說，裝置提供了電能回饋電網的通道，提高了電能 的利用率，同時對于電能只能單項流動的直流領域，可在負載端并聯一氧化 鋅避雷器來限制故障關斷時負載兩端的過壓。
4、 從對驅動電源的要求來說，SCR導通時只需提供一定寬度的脈沖即可， 導通后無需驅動電源再4是供能量。若采用全控器件，需對功率器件的控制電路持續提供能量，在高壓場合時對高電位驅動電源的取能要求就嚴格了 。
5、從電路結構的擴展性來說，目前釆用的是SCR這種半控器件，根據 應用場合的不同，某些場合可以用全控器件來替代，隨著功率器件和半導體 市場的發展，這種替代的可能性是存在的，替代后裝置的快速性將會有很大 的提高。
綜上所述，本發明提出的直流固態斷路器，不僅采用SCR這種目前容量 最大、通態壓降最低的市場化器件，提高了裝置的容量，降低了成本，而且 實現了固態開關的軟開通(關斷)，提高了裝置的可靠性。


圖1:交流固態斷^各器電^各圖2:固態斷路器與限流器組合使用的工程實例電路圖3:本發明設計的直流固態斷路器的主電路結構圖4:本發明設計的直流固態斷路器的能量瀉放的另一種使用形式；
圖5:正常開通和關斷操:作時序圖6:短路關斷操作時序圖7: SSCB開通過程波形圖8: SSCB正常關斷過程波形圖9: SSCB短^^關斷過程波形圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明
如圖l所示，為交流固態斷路器電路圖，圖2為固態斷路器與限流器組合l吏用的工程實例電^各圖。
本發明的電路如圖3所示，其中A是主開關單元，B是輔助開關單元。其 中主開關單元A包括主開關晶閘管7u和主開關功率二^L管D,;輔助開關單 元B主要由第一晶閘管z^、第二晶閘管&、第三晶閘管&、第四晶閘管^， 電感第一電感A、第二電感A,儲能脈沖電容q和輔助開關功率二極A組成。
其中輔助開關電路按功能和組合又可分為
(1) 輔助開通電路第一晶閘管7;。第一電感^、第二電感^、第三晶閘 管7^3構成；
(2) 輔助充電電路第一晶閘管721、第一電感A、儲能脈沖電容C,、第四 晶閘管7^構成；
(3) 正常關斷電路儲能脈沖電容q、第一電感丄,、第二晶閘管&、輔助
開關功率二極管A構成；
(4) 過載關斷電路儲能脈沖電容C,、第二電感丄2、第三晶閘管723、輔助
開關功率二^l管A構成。
以下介紹本發明的直流固態斷路器的工作原理
先開通第 一晶閘管r21和第三晶閘管r23,實現輔助開關管的零電流開通； 當流經第一電感A、第二電感丄2的電流達到或接近額定電流時，開通主開關 晶閘管^和第四晶閘管7^4,換流過程發生，主開關晶閘管7 的電流開始逐 漸增大，儲能脈沖電容q開始充電；當第二電感丄2的電流減小為零時，換流 過程結束，主開關晶閘管&的電流達到穩定值。
固態斷路器SSCB需要正常斷開時，第二晶閘管722導通，儲能脈沖電容q 通過第一電感丄,放電，當諧振放電電流大于負載電流時，主開關晶閘管rn電流降為零，主開關晶閘管ru由于承受反向電壓而自然關斷，多余電流從A中 返回電網。當需要故障關斷時，第三晶閘管&導通，儲能脈沖電容q通過第 二電感12來放電，第二電感A的值較第一電感A要小，故障關斷時的放電速 度比正常關斷時要快，當A中有電流流過時主開關晶閘管^自然關斷。當主
開關晶閘管7^管、自然關斷后，電容與電感組成的諧振電路繼續進行充、放
電，為下次的投入運行做準備。
圖4為本發明設計的直流固態斷路器的能量瀉放的另一種使用形式。 正常工作時電路工作狀態分析
在圖5中，,。時刻控制系統發出SSCB正常開通命令，同時觸發第一晶閘 管7^和第三晶閘管7^導通，由于電感Z,和A的存在，7^和7^3實現了零電流 開通。此后，流過電感A和A中的電流逐漸增大，直到^時刻達到穩定。假
設電源電壓用^表示，負載電阻用/ 屮表示，不考慮開關721和723的通態壓降
和線3各的損耗，線路的電流為
^時刻流過電感^ 、 A的電流最終達到/JO = ,此時可同時觸
發主開關晶閘管7;,和第四晶閘管r24導通。主開關管7;,的電流/人零開始增大，
Tu實現零電流開通。Tn管電流增大的同時，第一電感A與電容q諧振，對電
容q進行充電，電容<^兩端的電壓從"(:1(0 = 0逐漸，直至變為穩定。第三晶
閘管；由于承受反向電壓，電流逐漸減小，此過程流過晶閘管723的電流可表 示為
<formula>formula see original document page 8</formula>/2時刻，流過晶閘管723的電流/^(,2) = 0,晶閘管7^自然關斷，主開關管 rn中電流恒定不變等于負載電流即^(0-^。要保證晶閘管7^可靠關斷，需 滿足
0<cos[wr(f2-。]<1
,3時刻，電容C,的充電電流/d(O-^("-0，第一晶閘管7^和第四晶閘 管7^自然關斷，至此電容q的充電完成，開通過程結束，開關進入正常運行 狀態。
正常關斷時電路工作狀態分析 在圖5中，/3至/4時間段內，/nl(,) = /w, "cl(/) = f/cl(/3)，電路處于正常運 行狀態。設^時刻是正常關斷過程的起始時刻。
,4時刻控制系統發出正常關斷命令，第二晶閘管722導通，電容C,開始放 電，流過第一電感丄,的電流從零開始反向增大，^22("=^(" = /^(,4)=0,晶 閘管&零電流開通。"~ f5時間段是諧振放電電流和流過主開關管7^的電流 共同向負載提供電流，隨著諧振放電電流的增大，電容q兩端的電壓開始下 降，流過主開關管ru的電流也逐漸減小。^時刻，諧纟展;改電電流等于額定負
載電流，1/u(0卜4,而流過主開關管7^的電流/m("^，主開關管Tu自然關 斷，同時第一二極管A的電流從/。,("G開始增加。此后，諧4展電流開始大 于額定負載電流，多余電流,人二才及管Z),中流走。^時刻，電容C,的放電電流 又等于額定負載電流即= 流過二極管A的電流變為0即/d,&^0。 此后，電感A和電容q構成的諧振支路繼續放電，電容G中儲存的能量分為
兩部分 一部分為負載所消耗， 一部分被存儲到電感A中。" ^時間段電 路處于LC諧振過程，,7時刻諧振過程結束，正常開斷動作結束。短路關斷時電路工作狀態分析
為保持開關操作流程的完整性，用v時刻表示短路關斷的起始時刻，如 圖6所示。
v時刻流過主開關管7;,的電流/m(v)-"， v后負載開始出現過流，流
過主開關管Tn的電流逐漸增大。
,5'時刻，流過主開關管Tu的電流達到設定的短路電流保護倍數，觸發第 三晶閘管723開通，電容q開始放電，流過第三晶閘管&的電流
<formula>formula see original document page 10</formula>由于》文電電流的速率上升4艮快，流過主開關管r 的電流
開始下降。
V時刻，諧振支路的放電電流大于負載電流，流過主開關管r 的電流減 小為0，主開關管Tn自然關斷，反并聯的第一二極管A開始流過電流 <formula>formula see original document page 10</formula>, —部分能量通過二極管A開始反々責回電網；
V時刻，A管中電流減小為0，其續流過程結束；v時刻，流過二極管A 的電流/"0",諧振過程結束。V ~ V時間段可看作電容q、電感 丄2 、 晶 閘管723、 二極管A構成的諧振回3各的于充、；改電過程。
本發明的 一個實例中設計的參數
線路電壓^-ikr,線-各額定電流&"0(L4;負載電阻/ w =ioq;
脈沖儲能電容C嚴200/zF,電感A二4w//,丄2=150////。
圖7、圖8、圖9是本發明所設計的電路采用設計的參數時開通、正常 關斷和短路三種情況下所對應的波形圖。
本實施例中的功率二極管A、輔助開關功率二極管A，主開關晶閘管 7 、第一晶閘管721、第二晶閘管&、第三晶閘管&、第四晶閘管4均釆用成熟常規產品。
綜上所述，盡管本發明的基本結構、原理、方法通過上述實施例予以具 體闡述，在不脫離本發明要旨的前提下，根據以上所述的啟發，本領域普通 技術人員可以不需要付出創造性勞動即可實施變換/替代形式或組合均落入 本發明保護范圍。
權利要求
1、一種諧振型直流固態斷路器，包括直流電源和負載，其特征在于該固態斷路器還包括主開關單元A和輔助開關單元B，其中主開關單元A包括主開關晶閘管(T11)和主開關功率二極管(D1)，輔助開關單元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(L1)、第二電感(L2)、儲能脈沖電容(C1)和輔助開關功率二極管(D2)；直流電源的正輸出端分別接第一晶閘管(T21)的陽極、主開關晶閘管(T11)的陽極和主開關功率二極管(D1)的陰極，直流電源的負輸出端分別與輔助開關功率二極(D2)的陽極、第四晶閘管(T24)的陰極和負載的負輸入端連接接地，主開關功率二極管(D1)的陽極分別接主開關晶閘管(T11)的陰極、負載的正輸入端、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)的陽極，儲能脈沖電容(C1)的輸出端分別接第四晶閘管(T24)的陽極和輔助開關功率二極管(D2)的陰極。
全文摘要
本發明公布了一種諧振型直流固態斷路器，屬于固態斷路器。本發明所述斷路器包括直流電源、主開關單元A、輔助開關單元B和負載，其中主開關單元A包括主開關晶閘管和主開關功率二極管，輔助開關單元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、儲能脈沖電容和輔助開關功率二極管。本發明提高了裝置的容量，降低了成本，而且實現了固態開關的軟開通(關斷)，提高了裝置的可靠性。
文檔編號H02H3/087GK101540493SQ20091002647
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月22日 優先權日2009年4月22日
發明者莉 王, 杰 胡 申請人:南京航空航天大學