一种低压船用固态直流断路器研究

吴 鑫，吴益飞，吴 翊，荣命哲，杨 飞

应用研究

一种低压船用固态直流断路器研究

吴 鑫，吴益飞，吴 翊，荣命哲，杨 飞

（西安交通大学电气工程学院，西安 710000）

本文介绍了一种基于宽禁带器件SiC JFET的船用固态直流断路器的拓扑和工作原理。结合建模仿真与实际工况，研究了主开关器件、缓冲电路、限压耗能电路等主要元件的参数设计方法。研制了一种375 V固态直流断路器原理样机，针对短路故障进行了开断试验，并给出了试验波形。结果表明该固态直流断路器具有快速关断短路电流的能力。

固态断路器 直流配电 SiC JFET

0 引言

随着功率半导体技术的发展，低压直流配电技术逐渐在船舶电力系统得到广泛应用。相较于传统的交流配电技术，直流配电线路损耗小、变流环节少，在效率、经济和可靠性方面具有很大优势[1～2]。直流断路器的快速保护是直流配电应用过程中亟待解决的技术难题之一[3]。

传统的机械直流断路器存在开断速度慢、触头烧蚀严重、体积大等问题，难以满足未来直流系统快速可靠保护的要求[4]。固态直流断路器（DC SSCB）以半控型（如SCR）或全控型（如IGBT、MOSFET、IGCT等）电力电子器件作为主控开关器件，同时搭配控制电路和缓冲吸能电路等完成电流快速开断功能。固态直流断路器开断过程无电弧产生、动作速度快、电寿命长，可以更好的满足直流系统快速、可靠保护的需求。

为了降低固态直流断路器的通态损耗[5]，提升开断速度，本文研制了基于全控型器件SiC JFET的固态直流断路器。首先介绍了该固态直流断路器的拓扑和工作原理，建立仿真模型对其关键元件的参数进行分析与设计，并研制样机进行实验测试，验证所设计的固态直流断路器合理性。

1 拓扑分析

图1 SSCB拓扑结构示意图

SSCB的拓扑结构如图1所示，包括主开关器件Q，缓冲支路（缓冲电容Cs、二极管Ds、电阻Rs），限压耗能组件MOV等。

在正常工作情况下，主开关器件Q处于导通状态。短路故障发生时的开断过程如图2所示。其中Q代表流过Q的电流，C代表流过缓冲电容的电流，MOV代表流过MOV的电流，Q代表器件两端的电压。整个开断过程主要分为4个阶段：

1）阶段Ⅰ：即图中0～1时间段的过程。0之前，固态直流断路器正常工作，电力电子开关处于导通状态。0时刻系统发生短路，故障电流快速上升。

2）阶段Ⅱ：即图中1～2时间段的过程。发生故障后，检测电路识别故障，1时刻由控制电路发出关断信号。器件Q电流迅速下降，两端电压开始上升。同时，系统向缓冲支路中的电容Cs充电，电容电压逐渐上升。

3）阶段Ⅲ：即图中3～4时间段的过程。3时刻电力电子开关两端电压达到MOV的击穿电压，MOV由高阻抗状态迅速变为低阻态，流过MOV的电流逐渐上升。

4）阶段Ⅳ：即图中4～5时间段的过程。5时刻MOV承担全部短路电流，储存在直流主回路电感中的能量完全被MOV吸收；器件Q两端电压逐渐下降，恢复为系统母线电压。

图2 SSCB短路开断过程示意图

2 参数分析

2.1 主开关器件Q

主开关器件Q是SSCB的核心元件，主要有两个作用：正常运行时承载额定电流；短路故障时快速开断电流。相比较传统的Si基器件（如Si IGBT），宽禁带器件SiC JFET导通电阻小、开断速度快，可以在更高结温下工作[6]，适用于固态直流断路器的研制。为满足SSCB正常情况下额定通流的需求，器件Q应具有较低的导通电阻，载流芯片与环境之间的热阻尽可能低。器件在快速关断后，其两端会产生较高的电压尖峰。MOV可以将电压尖峰限制在一定范围，通常大于系统电压。为满足开断过程的耐压要求，器件Q的额定电压应大于2倍的系统电压。直流系统在接入感性负载时会产生涌流，电流峰值可达数倍额定电流。另外发生短路故障时，电流会在短时间内上升至3～5倍额定电流。为满足涌流和短路开断要求，器件Q应具有耐受浪涌和短路电流开断的能力。导通电阻、关断时间、额定电压和电流是SSCB设计中考虑的重要参数。

2.2 缓冲支路RCD

由于直流系统阻抗小，故障电流上升率大，在故障检测时间内短路电流会上升到一个较大的值。SiC JFET的关断速度很快，在线路杂散电感的作用下，器件两端会产生很大的瞬态电压尖峰，极其容易损坏功率器件。所以需要添加缓冲电路来抑制关断电压尖峰。RCD缓冲电路是一种常用的方法，其工作原理是器件电压建立过程中母线通过二极管Ds向吸收电容Cs充电，利用电容电压不会突变的性质来减小dd，电阻Rs为Cs提供放电通道。吸收电容Cs的参数对SSCB开断过程的dd以及电压尖峰至关重要。

2.3 限压耗能支路MOV

固态直流断路器中利用MOV来限制关断过电压，吸收耗散能量。SSCB正常工作时，MOV电压为系统额定电压，表现为高阻态。在开断过程中，当器件电压超过MOV的导通阈值电压时，MOV变为低阻态，短路电流转移至MOV支路，耗散系统能量。MOV的伏安特性以及能量是参数设计的关键，要保证器件关断电压限制在一定的范围内，并且可将系统储存的能量完全耗散，通常采用并联MOV的方式满足要求。

2.4 仿真计算

图3 SSCB短路开断仿真波形

为了直观地分析缓冲和耗能支路参数对SSCB关断特性的影响，在Pspice仿真软件中搭建了SSCB暂态仿真模型，利用LC震荡电路来模拟直流短路故障。仿真参数设置为：回路电容16 mF，回路电感50 μH，短路电流上升率1 A/μs，吸收电容2 μF，吸收电阻10 Ω，峰值电流200 A。图3给出了SSCB短路开断的典型波形。

由图3可以看出，关断过程的d/d很大，如果不抑制有可能损坏功率器件。图4给出了不同吸收电容下的器件电压仿真波形，可以看出随着吸收电容容值增大，d/d减小，同时电压峰值也变小。但是电容容值增加会引起体积变大，成本提高等问题，所以需要综合考虑器件耐受水平和SSCB体积成本来选择缓冲电容的大小。

图4 不同缓冲电容下的关断电压波形

3 实验测试

为验证上述参数设计的合理性，研制了基于SiC JFET的375 V固态直流断路器样机，如图5所示，包括主电路、驱动电路和控制电路等。图6是固态直流断路器的开断测试波形，开断峰值电流为400 A，整个开断时间约150 μs，开断峰值电压620 V。

图5 固态直流断路器样机

图6 固态直流断路器短路开断测试波形

由于导通电阻的存在，SiC JFET通流时会产生一定的损耗。为测试SSCB的散热性能，在器件电流恒定为60A的条件下测量器件表面温度，图7为测试结果。0时刻开始通流，12 min时SSCB与环境达到热平衡，最大温升40.6℃。

图7 温升测试结果

4 结论

本文基于宽禁带器件设计了一种低损耗、可快速关断的固态直流断路器。该固态直流断路器由主开关器件、缓冲支路和限压耗能支路。结合Pspice仿真模型对关键元件参数进行分析，设计样机并完成了实验测试，验证了固态直流断路器的短路电流快速开断能力。

[1] 李江红. 低压直流配电系统保护探究[J]. 电工技术, 2020(14): 110-111+114．

[2] 薛士敏, 陈超超, 金毅, 苏剑, 韦涛, 贺家李, 王莹.直流配电系统保护技术研究综述[J]. 中国电机工程学报, 2014, 34(19): 3114-3122.

[3] 吴鸣, 刘海涛, 陈文波, 苏剑, 季宇, 孙丽敬, 王丽.中低压直流配电系统的主动保护研究[J]. 中国电机工程学报, 2016, 36(04): 891-899.

[4] Qi L, Antoniazzi A, Raciti L, Leoni D and Kim H. "Solid state circuit breaker based dc shipboard distribution protection"[A]. Proc. 13th Int. Conf. Develop. Power Syst. Protection pp. 1-6 2016.

[5] Miao Z, et al. A self-powered ultra-fast dc solid state circuit breaker using a normally-on SiC JFET[A]. Proc. IEEE Appl. Power Electron. Conf. Expo. pp. 767-773 2015.

[6] 盛况, 任娜, 徐弘毅. 碳化硅功率器件技术综述与展望[J]. 中国电机工程学报, 2020, 40(06): 1741-1753.

Research on low voltage marine solid state DC circuit breaker

Wu Xin, Wu Yifei, Wu Yi, Rong Mingzhe, Yang Fei

(School of Electrical Engineering, Xi 'an Jiaotong University, Xi’an 710000, China)

TM561

A

1003-4862（2022）01-0016-03

2021-05-31

吴鑫（1998-），男，主要从事固态直流断路器。Email：wx15035485704@stu.xjtu.edu.cn