碳化硅MOSFET用于500V低压直流断路器的可行性研究*

丁锐，石新春

（华北电力大学新能源与电力系统国家重点实验室，河北保定071003）

0 引 言

低压直流电网具有电源转换效率高、成本低、节约空间和供电可靠性高等一系列优点，未来有望作为交流电网的重要补充而实现大规模的应用。现今制约低压直流电网发展的一个重要因素是直流断路器。由于直流电弧没有过零点，开断较为困难。至今，所有商业化的直流断路器均基于人为创造过零点的原理达到开断直流电流的目的，它们常用于负荷电流的关合与开断，而对短路电流的开断能力很低。所以，如何提高直流断路器的开断容量成为了一道复杂的难题，这也是直流断路器发展所面临的一大挑战。

另外，在系统发生故障时直流断路器不仅能开断故障电流，而且要求其速度远快于交流断路器，以防止损坏昂贵的用电设备。缺乏能快速可靠切断短路电流的直流断路器始终是一大瓶颈，制约着低压直流电网的快速发展，因此，研发具有可靠、快速切断短路电流的直流断路器已成为紧迫的任务。现有材料在研制断路器时很难同时满足开断容量和开断时间的需求。近些年随着碳化硅MOSFET研究的不断成熟，其具有低导通阻抗、击穿电压高、耐高温、开断速度快等优点而备受关注，其优异的开断性能有望作为研制低压直流断路器的理想选择［1-4］。

1 直流断路器工作电压等级

电压等级是低压直流电网的重要因素。目前，按照交流配电网的电压等级确定直流配电网的电压等级，可分为：（1）12 V-24 V：家庭或者办公场所供电，如为笔记本电脑、显示器和电视机等低功率负载供电；（2）48 V：用在通信部门，为部分通信设备供电；（3）220 V：对应单相220 V交流电源电压有效值，一些额定电压为220 V的交流电阻性负载（如加热器）可以直接运行在该电压等级的直流配电网中；（4）240 V：通信用直流供电系统电压等级，用来代替220 V交流电和传统UPS结合的供电方式，既安全可靠又经济节能；（5）310 V：对应单相220 V交流电源峰值电压，与大电容滤波整流电路输出的直流电压相当，此电压等级能兼容部分现有负载；（6）400 V：对应380 V交流电压有效值；（7）500 V-550 V：对应380 V交流电三相整流后的直流电压，连接变频器可为380 V电动机供电，其中点可分为半电压250 V供大多数220 V电器使用［5-6］。因此，低压直流电网电压取500 V，三端供电应是照明与动力合用的最佳选择。此外，MOSFET的操作过电压约为其实际工作电压的2倍，故击穿电压为1.2 kV的MOSFET用于500 V直流电路较为可行和安全。

绝缘是影响直流断路器工作电压等级选取的一个重要因素。大多数绝缘材料含有很多不同的介质，当加交流电压时，电压按材料的介电常数和尺寸等参数的比例来分配，而直流电压只按材料的电阻比例来分配。交流电压比直流电压更容易发生热击穿，通常直流耐压试验的试验电压要比交流耐压试验电压高［7］。在GB 755-2008与IEEE标准95均规定：多数情况下同一绝缘体直流耐压与交流耐压的试验电压之比为1.7。因此，380 V三相交流电的绝缘材料完全可以满足500 V直流电压绝缘的需求，而不需要采用新的绝缘材料［8］。

用户的用电安全也是直流电压等级选取的另一个重要指标，在现今交流220 V的工作环境下，其安全事故发生率特别是涉及生命安全的发生率仍在可接受范围内。若有人发生触电后能被及时发现，通常不会危及到生命。对人体不引起有害生理效应的最大容许安全电流值直流约为交流的3倍，直流为30 mA，交流为10 mA［9］。人对直流的抵抗力和摆脱能力也均强于交流，对工频电流的摆脱能力男性约为16 mA，女性约为10.5 mA（平均）。对直流电流的摆脱能力男性约为76 mA，女性约为51 mA（平均）［10］。因此，相较于220 V交流电500 V直流电具有更高的用电安全性。

2 直流电路模型中各元件参数的确定

一个简单的低压直流电路应该包括直流电源、断路器和直流负载，其简化模型如图1所示：

图1 简易低压直流电路模型Fig.1 Simple model of low voltage DC circuit

为更准确地了解断路器的工作环境，需要确定各元件的大致参数来模拟断路器的具体工作场景。

2.1 电源电压及内阻的确定

电源电压取断路器的工作电压500 V。考虑到当今居民家用电器的功率基本不会超过3 kW。因此，需要保证该MOSFET断路器在额定电压为500 V和工作电流为6 A时，且当负载发生短路故障时也能正常工作。此外，直流电源的供电效率一般不低于95%，可据此估算直流电源的内阻大小。

式中P0=3 000W；I=6 A，由上式可算出电源内阻r≤4.39Ω，为便于计算电源取最低效率，此时其内阻为4.39Ω。其中，η表示电源供电效率；P0为电源输出功率；P1表示电源输入功率；I为电路中电流；r为电源内阻。故可用幅值为500 V内阻为4.39Ω的直流电源来代替图1模型中的直流电源。

2.2 导线参数的估算

根据居民家庭的实际情况，图1模型中的导线可用长度为100m的单回铜芯导线代替，此长度基本能满足各种家用需要。根据国际IEC 60335家用电器安全第一部分：通用要求中的规定［11］：额定电流大于3 A小于6A的电器可以采用截面为0.75 mm2～1 mm2的铜芯导线；额定电流大于6 A小于10 A的电器可以采用截面为1 mm2～1.5 mm2的铜芯导线。为了安全考虑此处可选用1.5 mm2的铜芯导线。据此可计算出导线的电阻及电感大小（此处不考虑线路间的耦合和其他因素影响）。

式中ρ=0.017 5Ω.mm2/m是铜电阻率；R是导线的电阻；l=100 m是导线的长度；s=1.5 mm2是导线截面积；L是导线电感；μ0=4π*10-7H/m是真空电导率；r是导线半径，据此可算出R=1.17Ω，L=236.4μH。

2.3 直流负载的选取

直流负载有很多种，此处选取家庭用电功率最大制冷时额定功率为3 kW的变频空调。查阅格力厂家生产的产品具体参数可知，变频空调在正常工作时电阻约为80Ω，电感部分来源于空调变频器中的电抗器。其中，输入端电抗器的电感为1.4 mH，输出端电抗器中的电感为0.7 mH。负载中其他电感及滤波电容忽略不计。故负载部分可用一个电感为2.1 mH和一个阻值为80Ω的电阻等效代替。因此，将图1所示的低压直流电网简化模型具体化如图2所示（此电路不包括MOSFET的驱动部分）。

图2 简单低压直流电路Fig.2 Simple low voltage DC circuit

式中直流电源E=500 V；r=4.39Ω为电源内阻；R1=1.17Ω是导线的电阻；L1=236.4μH为导线的电感；R2=80Ω是负载工作时的电阻（此处不考虑温度对负载电阻的影响）；L2=2.1 mH为负载电感大小。

3 断路器分断时过电压分析

在图2电路中碳化硅MOSFET选用型号为CMF20120D，其中VDS=1 200 V，ID（MAX）=42 A，RDS（on）=80 mΩ。因此，需要保证该 MOSFET在断开电路各种状态时，电路中的瞬时过电压都不能超过其击穿电压1 200 V。

3.1 断开正常工作时的过电压

在图2的低压直流电路中，电路工作时的电流为6 A，MOSFET断开电路时的过电压U方程为：

由式（5）可知，MOSFET的开断过电压不仅受电路中的电流和电感影响，还受MOSFET自身开断时间长短的影响。影响MOSFET开断时间的主要因素是栅极驱动电阻，栅极驱动电阻越大会引起栅极电流明显减小，导致器件输入电容的充放电速度明显下降。因此，可以适当地增大栅极驱动电阻来延长MOSFET的关断时间［12］。综合考虑断路器的开断速度和其开断过电压，可以选择合适的驱动电阻使其开断时间在50μs左右，既满足断路器快速切断电路的要求也不引起过大的开断过电压。由（5）式计算可知分断正常工作时过电压约为780.37 V，远远低于其击穿电压1 200 V。

3.2 分断短路故障时的过电压计算

当图2所示系统发生负载短路故障时，其短路电流I可由式（7）计算。

系统发生短路时MOSFET断开时的过电压为：

由式（8）可得U=925.18 V。终上所述，当控制MOSFET的关断时间在50μs时，击穿电压为1.2 kV的碳化硅MOSFET可以正常开断500 V直流电路的任何状态，并使得MOSFET的过电压不至于过高而影响器件乃至整个系统的安全，50μs的关断时间远远小于交流开关的动作时间可以更好地保护用电设备。因此，击穿电压为1.2 kV的碳化硅MOSFET用于500 V直流电路是完全可行的。

4 低压直流电路模型的仿真分析

利用saber软件强大的建模和仿真能力，通过CMF20120D碳化硅MOSFET自身的等效电路和生产厂家提供的实际参数和datasheet来建立模型，并模拟其在500 V直流电路中实际工作情形，观察MOSFET在关断电路正常工作和短路状态时的分断过电压，来验证理论设想的可行性。

Saber软件下的 MOSFET等效电路图如图3所示。

图3 MOSFET等效电路Fig.3 MOSFET equivalent circuit

图3中，为内部门极电阻，Rd为漏极电阻，Rs为源级电阻，三个极间电容满足以下关系：

等效电路中的并不影响器件的开关特性，MOSFET相应的静态参数可以通过器件的输出特性和转移特性获得，其相应的动态特性需要从器件手册中Crss，Coss，Ciss和Vgs关系曲线获得。再通过 saber软件中的描点建模法将特性曲线和参数导入要建立的碳化硅MOSFET模型中，完成建模。接下来建立图4的测试仿真电路。

图4 简易测试电路Fig.4 Simple test circuit

电路正常工作时MOSFET断开，其二端的分断过电压如图5所示。

从图中可看出，MOSFET约从0.497 40 s开始关断，至0.497 45 s左右关断结束，整个持续时间约为50μs，分断过电压的最大值约为808.57 V，远远低于MOSFET的击穿电压1 200 V。不会对断路器的安全工作带来隐患。

当系统发生短路故障时，由于短路电流很大，此时容易引起很大的分断过电压，是对断路器能否稳定可靠安全的切断电路的重大考验，其分断过电压仿真波形如图6所示。

图5 分断正常工作时的波形Fig.5 Waveform of on the breaker normal working conditions

图6 分断短路故障时的波形Fig.6 Waveform of the breaker short circuit fault

仿真结果显示，短路时由于短路电流较大，此时分断过电压的峰值大于分断正常工作时的过电压，分断过电压峰值为1 084.6 V，仍在安全范围之内。仿真结果比理论计算结果的过电压数值大，有一定误差，误差与MOSFET自身的杂散电感，以及实际关断时间略低于50μs等因素有关，误差在允许范围内可以接受。

5 两种过电压保护电路的设计

为了防止在某些特殊情况下，碳化硅MOSFET的开断过电压过大有可能超过其击穿电压1 200 V引起MOSFET的损坏，需要在电路中增加保护元件保护MOSFET更加安全可靠地工作。现设计两种驱动保护电路，第一种如图7所示。

图中为驱动电阻，U为压敏电阻，其敏感电压为900 V。当MOSFET二端过电压达到900 V时，压敏电阻导通来保护MOSFET不被击穿，为限流电阻可以取100Ω，作用是当驱动信号被开关断开时，其二端电压仍能维持MOSFET在导通和关断的临界状态，来释放电路储能元件中储存的能量，此处可以取1.7Ω。图中其他元件参数不变，短路时的仿真结果如图8所示。

图7 过电压保护电路（1）Fig.7 Overvoltage protection circuit（1）

图8 过电压保护（1）分断过电压波形Fig.8 Overvoltage protection（1）split off overvoltage waveform

仿真结果表明增加压敏电阻保护后，其分断短路过电压最大值只有972.55 V，远低于不加保护时的1 084.6 V，且此时的关断时间约为60μs不影响开关的快速动作。因此，采用这种过电压保护能使碳化硅MOSFET在500 V直流电路中更加安全稳定的工作。

第二种利用压敏电阻的过电压保护电路是将压敏电阻直接并联在MOSFET二端，如图9所示。

图9 驱动保护电路（2）Fig.9 Driven protection circuit（2）

压敏电阻的敏感电压仍为900 V，当分断过电压超过900 V时，压敏电阻导通将MOSFET直接短路来保护MOSFET，此时由压敏电阻来消耗电路中电感元件储存的能量W=0.5·L·I2=9.45 J，现在市场上压敏电阻2ms的能量耐量可达720 J完全满足需求。采用该驱动保护时的分断短路过电压仿真结果如图10所示。

图10 驱动保护（2）分断过电压波形Fig.10 Driven protection（2）split off overvoltage waveform

与第一种过电压保护相比，第二种过电压保护在分断电路的时间上基本一致，但分断时过电压的最大值为934.64 V，略低于第一种。同时电路中储能元件储存的能量完全由压敏电阻消耗不由MOSFET来承担，虽然压敏电阻体积略大但对MOSFET的保护更加可靠。

6 结束语

碳化硅MOSFET的优越性能远远好于目前市场上广泛应用的硅MOSFET，其优良的开关特性非常适用于制作断路器，从理论和仿真结果也证明了市场上的击穿电压为1.2 kV的碳化硅MOSFET完全可以应用于500 V的直流断路器，随着碳化硅MOSFET研究的不断成熟，其必将为直流断路器的研究开启一个新的篇章。