陳修林，劉可安，唐智鋒

（株洲中車(chē)時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

深海作業(yè)級(jí)遙控潛水器（remotely operated vehicle，ROV）因其作業(yè)深度大、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，能夠抵抗相對(duì)惡劣的海洋環(huán)境，被廣泛應(yīng)用于海洋考察、海洋工程等領(lǐng)域［1］。與傳統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)ROV相比，電驅(qū)動(dòng)ROV（EROV）具有體積小、重量輕、更靈活、環(huán)境適應(yīng)性更好等優(yōu)勢(shì)，已成為ROV發(fā)展重要方向之一［2］。工作級(jí)電驅(qū)水下機(jī)器人Quantum/EV搭載了新型長(zhǎng)距離直流輸電解決方案以及本地化管理的直流電力系統(tǒng)，其作業(yè)性能至少提升20%，可極大地提高我國(guó)在深海油氣、海底科考、海上打撈等方面的作業(yè)能力［3］。DC/DC變換器是Quantum/EV直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，為EROV的各個(gè)子系統(tǒng)供電。

固態(tài)斷路器（solid-state circuit breaker，SSCB）以功率半導(dǎo)體器件作為主開(kāi)關(guān)器件，配合快速的浪涌吸收器件，其斷開(kāi)時(shí)間可做到微秒級(jí)，故障響應(yīng)速度已經(jīng)足夠；同時(shí)，信息反饋以及接受控制指令也相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)，但中壓等級(jí)的常導(dǎo)通、雙線雙向阻斷特性要求實(shí)現(xiàn)困難。JFET在門(mén)極不施加電壓時(shí)是導(dǎo)通的，DC/DC上電時(shí)利用JFET的導(dǎo)通特性達(dá)到黑啟動(dòng)目的。常用功率半導(dǎo)體器件單管阻斷電壓有限，不能滿足EROV的中壓應(yīng)用，一些高耐壓器件（10 kV 等級(jí)）可以滿足EROV 的中壓應(yīng)用，但或價(jià)格昂貴，或處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段。為了使SSCB應(yīng)用于更高電壓的場(chǎng)合，通常將其主開(kāi)關(guān)功率半導(dǎo)體器件進(jìn)行串聯(lián)擴(kuò)容，提高其整體耐壓能力。針對(duì)功率半導(dǎo)體器件串聯(lián)擴(kuò)容技術(shù)的各串聯(lián)器件動(dòng)、靜態(tài)不均壓?jiǎn)栴}［4］，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入的研究。Juergen Biela提出了一種單外部驅(qū)動(dòng)超級(jí)共源共柵級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)（super cascode），其通過(guò)串聯(lián)N個(gè)JFET和一個(gè)低壓MOSFET實(shí)現(xiàn)，阻斷電壓是單個(gè)JFET阻斷電壓的N倍，該電路通過(guò)輔助元件來(lái)實(shí)現(xiàn)共源共柵中的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)平衡電壓分布［5-6］。Xijun Ni使用SiC JFET和MOSFET展示了一種6 kV SiC混合功率開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對(duì)串聯(lián)器件結(jié)構(gòu)中的參數(shù)偏差問(wèn)題，引入了一種優(yōu)化的電壓控制方法保證靜態(tài)和動(dòng)態(tài)狀態(tài)下均壓效果，實(shí)現(xiàn)在沒(méi)有雪崩二極管的情況下顯著降低關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗［7］。Gao Bo論證了已有的均壓電路缺乏雪崩能量處理能力，提出了一種保護(hù)雪崩二極管和底部JFET柵極的解決方案［8-9］。Song Xiaoqing提出一種15 kV/40 A SiC三端電源開(kāi)關(guān)，與同等級(jí)SiC MOSFET 相比，在成本和導(dǎo)熱性方面其具有明顯優(yōu)勢(shì)［10-11］。Utkarsh Mehrotra 提出了一種雙向固態(tài)斷路器（BSSCB），深入探討了功率級(jí)的熱性能和半導(dǎo)體器件中的溫升限制［12］。上述文獻(xiàn)均在super cascode結(jié)構(gòu)中串入了MOSFET進(jìn)行控制，僅相當(dāng)于對(duì)一個(gè)MOSFET的簡(jiǎn)單控制，對(duì)于深海DC/DC變換器的SSCB的常導(dǎo)通需求無(wú)法滿足，同時(shí)雙線雙向阻斷的需求也要重新設(shè)計(jì)。本文提出一種雙線雙向阻斷固態(tài)斷路器（dual-wire bidirectional blocking SSCB，DWBB SSCB）設(shè)計(jì)方案來(lái)應(yīng)對(duì)這些特殊需求，并同時(shí)滿足中壓SSCB的快速關(guān)斷要求。

1 DWBB SSCB簡(jiǎn)介

DWBB SSCB 是DC/DC 的子部件，其作用是在DC/DC內(nèi)部故障或者系統(tǒng)控制所需時(shí)斷開(kāi)與中壓直流輸入的連接。根據(jù)功率需求，EROV配置有不同數(shù)量的DC/DC，以并聯(lián)方式為系統(tǒng)供電，因此在單個(gè)DC/DC故障時(shí)，要求其內(nèi)的DWBB SSCB能快速斷開(kāi)，并能有效地抑制因線路能量帶來(lái)的浪涌，以免影響其余的DC/DC運(yùn)行。DWBB SSCB應(yīng)及時(shí)地反饋其故障信息給系統(tǒng)，也能根據(jù)系統(tǒng)指令在DC/DC沒(méi)有故障時(shí)斷開(kāi)，這個(gè)要求是因?yàn)樗略O(shè)備要遵守的漏電檢測(cè)要求。當(dāng)長(zhǎng)距離線纜因?yàn)槠茡p及其他原因?qū)е侣╇姸幌到y(tǒng)配置的漏電檢測(cè)裝置檢測(cè)到時(shí)，需要接受系統(tǒng)指令進(jìn)行雙線斷開(kāi)，用以查找或切斷漏電可能；同時(shí)，由于漏電檢測(cè)采用較高的交流電壓進(jìn)行，DWBB SSCB須能雙向阻斷來(lái)保證漏電檢測(cè)的正常運(yùn)行。深海線纜價(jià)格高昂，DC/DC如果能從中壓直流線上直接取電進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)，將大大減小線纜成本。Quantum/EV的額定中壓直流電壓為4 500 V或6 000 V，從其上直接取電給控制系統(tǒng)比較困難。根據(jù)輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)的主功率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文創(chuàng)新地構(gòu)建了一個(gè)易實(shí)現(xiàn)的輔助供電子系統(tǒng)，其利用輸入串聯(lián)分壓后獲取輔助供電，再并聯(lián)給DC/DC的控制系統(tǒng)供電，但前提是DWBB SSCB在上電之初是導(dǎo)通的。

DWBB SSCB的功能框圖如圖1所示，控制電源部分未體現(xiàn)。其包括串聯(lián)在中壓正負(fù)線上的串聯(lián)開(kāi)關(guān)及浪涌吸收電路、電流檢測(cè)及比較電路、隔離驅(qū)動(dòng)及狀態(tài)反饋電路。浪涌吸收電路由多個(gè)串聯(lián)的壓敏電阻組成，與串聯(lián)開(kāi)關(guān)并聯(lián)，在串聯(lián)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)吸收線路上的浪涌能量。電流檢測(cè)及比較電路采用低阻值采樣電阻檢測(cè)電流，通過(guò)隔離放大電路將低幅值電流信號(hào)放大，然后經(jīng)比較電路得到實(shí)時(shí)過(guò)流故障信號(hào)。隔離驅(qū)動(dòng)電路接收到過(guò)流故障信號(hào)后從串聯(lián)開(kāi)關(guān)的G端驅(qū)動(dòng)其關(guān)斷，同時(shí)將故障信號(hào)ERR發(fā)送到控制器。控制器也可在沒(méi)有故障信號(hào)情況下控制串聯(lián)開(kāi)關(guān)的關(guān)斷，通過(guò)CON信號(hào)下發(fā)指令。正/負(fù)線輸入端連接于串聯(lián)開(kāi)關(guān)的D端，DC/DC功率變換部分則連接到串聯(lián)開(kāi)關(guān)的S端。

圖1 DWBB SSCB 功能框圖Fig.1 Functional Block Diagram of DWBB SSCB

2 DWBB SSCB設(shè)計(jì)方案

本文主要敘述主功率電路部分（包括串聯(lián)開(kāi)關(guān)硬件，靜、動(dòng)態(tài)電路及雪崩能量處理電路）的分析設(shè)計(jì)，電流檢測(cè)、信號(hào)處理、驅(qū)動(dòng)及電源等電路不再贅述。

2.1 串聯(lián)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)

為了滿足6 000 V中壓應(yīng)用需求，串聯(lián)開(kāi)關(guān)由8個(gè)1 200 V的SiC JFET器件（Q1～Q8）串聯(lián)而成，如圖2所示，包含均壓電路，形成一個(gè)三端開(kāi)關(guān)，只需要一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)同步控制位于S端的兩個(gè)SiC JFET的關(guān)斷就能實(shí)現(xiàn)整條支路的關(guān)斷，相對(duì)于多驅(qū)動(dòng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大大降低了驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜程度，同時(shí)兩組級(jí)聯(lián)對(duì)稱的設(shè)計(jì)可以適用于輸入方向可變的工況，滿足多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景。每個(gè)SiC JFET 器件并聯(lián)一個(gè)高壓電容（C1～C8）用于動(dòng)態(tài)均壓；均壓電阻（R1～R8）用來(lái)實(shí)現(xiàn)串聯(lián)器件的靜態(tài)均壓；雪崩二極管（D1～D7）用于電壓鉗位；壓敏電阻（MOV1～MOV5）用于吸收關(guān)斷后功率器件漏源極的過(guò)電壓。JFET 柵極上串聯(lián)的小電阻（Rg1～Rg8）用于防止SiC JFET的柵極擊穿［4］；同時(shí)為了提高雪崩能量處理能力，雪崩二極管串聯(lián)了一個(gè)功率電阻（RD1～RD7），用于降低其關(guān)斷開(kāi)關(guān)損耗［4］。

本文對(duì)串聯(lián)開(kāi)關(guān)關(guān)斷過(guò)程進(jìn)行分析如下：當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路接收到故障信號(hào)后，將-12 V的驅(qū)動(dòng)電平加在G、S兩端，也就是Q1的柵源極上；當(dāng)Q1的柵源極電壓下降至夾斷電壓，Q1關(guān)斷，其斷態(tài)電阻迅速增大，漏源極電壓持續(xù)上升，Q1的漏極電流分流，經(jīng)Q2的G極至Q1的均壓電路；當(dāng)Q2的負(fù)偏電壓達(dá)到其夾斷電壓時(shí)，Q2關(guān)斷；同理，隨著Q1～Q8依次完成關(guān)斷，最終實(shí)現(xiàn)串聯(lián)開(kāi)關(guān)的關(guān)斷過(guò)程。在此過(guò)程中，Q1～Q7的電壓由于雪崩二極管D1～D7的存在，電位被鉗位；至于Q8，其電壓由浪涌吸收電路和浪涌能量確定，當(dāng)浪涌能量大時(shí)，壓敏電阻上的電壓更高，可能最終導(dǎo)致Q8的電壓超高。因此，要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的浪涌能量進(jìn)行評(píng)估。好在多個(gè)DC/DC 并聯(lián)使用時(shí)，單個(gè)DWBB SSCB的保護(hù)動(dòng)作時(shí)，線路上的浪涌能量會(huì)被沒(méi)有保護(hù)的輸入電容吸收，大大減小了DWBB SSCB故障保護(hù)的浪涌壓力。這個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)不能在關(guān)斷且其兩端存在高壓的情況下打開(kāi)，因?yàn)榫鶋弘娙堇锏哪芰繒?huì)擊穿JFET的門(mén)極，從而損壞整個(gè)串聯(lián)開(kāi)關(guān)。因此，一旦發(fā)生故障保護(hù)，會(huì)保持故障信號(hào)，直至斷電重啟才能恢復(fù)。

2.2 靜態(tài)均壓電路設(shè)計(jì)

影響串聯(lián)開(kāi)關(guān)靜態(tài)均壓的因素有器件本身特性差異、柵極驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)設(shè)計(jì)差異以及均壓電路參數(shù)差異［13］。整體表現(xiàn)為串聯(lián)開(kāi)關(guān)的各個(gè)器件的自身斷態(tài)阻抗不同，而阻斷狀態(tài)下流過(guò)器件的漏電流是相同的，從而導(dǎo)致各開(kāi)關(guān)器件的靜態(tài)分壓不均。

查閱器件數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，SiC JFET 器件在關(guān)斷狀態(tài)下斷態(tài)電阻極大，在同一門(mén)極電壓下，漏極電壓越高，漏電流越大。根據(jù)不同溫度下的漏極漏電流曲線可推得，等效斷態(tài)電阻與漏極電壓成反比，與節(jié)溫也成反比。舉例來(lái)說(shuō)，常溫下，本文選取的JFET 器件在800 V漏極電壓下的斷態(tài)電阻最小值為120 MΩ 左右，最大值為660 MΩ 左右。在 SiC JFET 的柵極并聯(lián)遠(yuǎn)小于器件斷態(tài)電阻且阻值相同的靜態(tài)均壓電阻R1～R8，以改善靜態(tài)均壓效果。該靜態(tài)均壓電阻取值越小，均壓效果越好，但是流過(guò)均壓電阻的電流也會(huì)越大，使得電阻功率損耗越大。因此均壓電阻的取值應(yīng)該綜合考慮均壓效果和功率損耗。

假設(shè)任意兩個(gè)SiC JFET 的靜態(tài)均壓值不平衡率小于10%［14］，即

式中：Vds_min——串聯(lián)開(kāi)關(guān)在阻斷狀態(tài)下SiC JFET靜態(tài)均壓最小值；Vds_max——串聯(lián)開(kāi)關(guān)在阻斷狀態(tài)下SiC JFET靜態(tài)均壓最大值。

阻斷狀態(tài)下流過(guò)器件的漏電流是相同的，則有

式中：Rs——串聯(lián)開(kāi)關(guān)的靜態(tài)均壓電阻；Roff_min——JFET 斷態(tài)電阻最小值；Roff_max——JFET 斷態(tài)電阻最大值。

根據(jù)式（2）有

2.3 動(dòng)態(tài)均壓電路設(shè)計(jì)

SiC JFET 的開(kāi)通關(guān)斷時(shí)間在納秒級(jí)別，動(dòng)態(tài)過(guò)程中的均壓?jiǎn)栴}是串聯(lián)開(kāi)關(guān)應(yīng)用的難點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均壓的原理主要通過(guò)外接緩沖電路來(lái)減小器件參數(shù)差異對(duì)動(dòng)態(tài)分壓的影響，有以下幾種思路：1） 通過(guò)調(diào)整柵極驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)控制JFET 的關(guān)斷速度；2） 增加無(wú)源器件提高電路的穩(wěn)定性；3） 同步串聯(lián)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；4）使用控制方法引入反饋以減小分壓差異。

本文使用無(wú)源動(dòng)態(tài)均壓方法，通過(guò)在JFET漏極和源極之間添加吸收電路，并通過(guò)優(yōu)化參數(shù)設(shè)計(jì)改善SiC JFET 的動(dòng)態(tài)均壓或?qū)iC JFET 漏源極過(guò)壓進(jìn)行抑制，以實(shí)現(xiàn)串聯(lián)動(dòng)態(tài)均壓和過(guò)流關(guān)斷的功能。串聯(lián)開(kāi)關(guān)通過(guò)類(lèi)似鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的方式逐個(gè)關(guān)斷8 個(gè)串聯(lián)的SiC JFET。理想情況下，C8吸收Q8柵極的所有電荷；C7吸收Q7柵極的所有電荷并加上來(lái)自C8向下流動(dòng)的電荷［8］：

式中：△qCi——Ci向下流動(dòng)的電荷；qDi——Qi漏極電荷，qGi——Qi柵極電荷。

以此類(lèi)推，關(guān)斷過(guò)程中的所有電荷通過(guò)級(jí)聯(lián)傳播到Q1。假設(shè)SSCB關(guān)斷時(shí)刻實(shí)現(xiàn)串聯(lián)動(dòng)態(tài)均壓，則每個(gè)JFET在關(guān)斷時(shí)刻的電荷量計(jì)算如下：

式中：△qds——器件的柵源極電荷；Ci——對(duì)應(yīng)Qi的動(dòng)態(tài)均壓電容；Vds，Qi——對(duì)應(yīng)Qi的漏源極電壓。

其中，由SiC JFET 參數(shù)可知△qds大約為260 nC，Vds，Qi設(shè)計(jì)值為800 V，假設(shè)C8為325 pF，那么C7為650 pF，以此類(lèi)推可得到8個(gè)JFET動(dòng)態(tài)均壓電容值。

理論上電容的取值越大，漏電流通過(guò)越快，關(guān)斷速度越快，越能有效壓低并聯(lián)JFET 的漏源極電壓峰值；但同時(shí)越會(huì)引起其他JFET的動(dòng)態(tài)電壓峰值的改變。因此該電容值需要謹(jǐn)慎選取以達(dá)到動(dòng)態(tài)過(guò)程中的均壓。

2.4 雪崩處理

串聯(lián)開(kāi)關(guān)關(guān)斷過(guò)程中，如果線路上的能量較大，會(huì)使得雪崩二極管達(dá)到鉗位電壓；當(dāng)能量更大時(shí)，由于雪崩二極管體積較小，處理浪涌能量有限，可能導(dǎo)致串聯(lián)開(kāi)關(guān)的損壞。相對(duì)來(lái)說(shuō)，JFET 體積比雪崩二極管大很多，可以處理更多浪涌能量，因此，可以在雪崩二極管上串聯(lián)電阻，以減小雪崩二極管的壓力，將其轉(zhuǎn)移至JFET，以降低雪崩二極管損壞可能性，從而也避免了JFET器件的損壞。這樣做雖然會(huì)帶來(lái)一定程度的動(dòng)態(tài)均壓性能降低，但總體在可控范圍內(nèi)［8］。

雪崩二極管雪崩電壓VD為800 V，擊穿狀態(tài)下的內(nèi)阻RD約為40 Ω，SiC JFET擊穿電壓為1 200 V。假設(shè)雪崩擊穿持續(xù)時(shí)間τ為200 ns，如果雪崩二極管沒(méi)有串聯(lián)電阻，則400 V電壓直接加在內(nèi)阻上并產(chǎn)生電流ID，每個(gè)雪崩二極管在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)消耗的能量WD為

在沒(méi)有串聯(lián)電阻情況下，雪崩二極管在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)消耗的能量高達(dá)1.6 mJ?？紤]給雪崩二極管串聯(lián)阻值為10 kΩ的電阻RDi，此時(shí)每個(gè)雪崩二極管在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)消耗的能量?jī)H為6.4 μJ。

不難發(fā)現(xiàn)，雪崩二極管串聯(lián)電阻RDi可以有效降低其在關(guān)斷時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗。同時(shí)，由于靜態(tài)工作期間，雪崩二極管未在擊穿工作狀態(tài)，其內(nèi)阻很大，流過(guò)的電流很小，因此電阻RDi對(duì)于靜態(tài)均壓效果的影響可以忽略不計(jì)。

3 樣機(jī)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證DWBB SSCB原理及均壓特性，我們?cè)O(shè)計(jì)研制了DWBB SSCB樣機(jī)，并通過(guò)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)均壓和靜態(tài)均壓試驗(yàn)電路，對(duì)其基本功能和動(dòng)靜態(tài)均壓性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以觀察其靜、動(dòng)態(tài)串聯(lián)均壓效果并分析樣機(jī)對(duì)直流故障電流的關(guān)斷性能。DWBB SSCB的主要元器件參數(shù)如表1所示。樣機(jī)實(shí)物如圖3所示，JFET分布于板子長(zhǎng)邊兩側(cè)，壓在過(guò)渡散熱器上，管腳以最短連線方式焊接，均壓電路靠近JFET放置，減小線路寄生參數(shù)對(duì)性能的影響。壓敏電阻和其他元件置于板子中間位置。

表1 電路主要元器件參數(shù)Tab.1 Main component parameters of the circuit

圖3 SSCB 樣機(jī)實(shí)物Fig.3 Physical image of SSCB prototype

通過(guò)脈沖測(cè)試電路對(duì)DWBB SSCB的動(dòng)態(tài)均壓性能進(jìn)行測(cè)試（圖4），其中電感L 為6.4 mH，電阻R 為200 Ω，測(cè)試場(chǎng)景如圖5所示。測(cè)試時(shí)，直流電源電壓施加到SSCB 并逐漸加大，除去串聯(lián)開(kāi)關(guān)和電感等效串聯(lián)電阻的壓降，直流電壓都加在電阻R上，串聯(lián)開(kāi)關(guān)的電流線性上升。然后通過(guò)DC/DC 控制器給DWBB SSCB 關(guān)斷信號(hào)，串聯(lián)開(kāi)關(guān)關(guān)斷，存儲(chǔ)在電感L 中的能量轉(zhuǎn)移至串聯(lián)開(kāi)關(guān)的并聯(lián)電容。當(dāng)串聯(lián)開(kāi)關(guān)的浪涌電壓超過(guò)串聯(lián)壓敏電阻的動(dòng)作門(mén)檻值后，部分能量會(huì)被壓敏電阻吸收。在此期間，測(cè)試正負(fù)線上串聯(lián)開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)每個(gè)SiC JFET上電壓的同步性和動(dòng)態(tài)均壓特性。如圖6～圖7所示（負(fù)線支路的串聯(lián)SiC JFET器件定義為Q9～Q16），DWBB SSCB關(guān)斷瞬間示波器通過(guò)同一型號(hào)高壓探頭采集到的單支路8 個(gè)JFET 在關(guān)斷瞬間的漏源極電壓峰值。在檢測(cè)到過(guò)流信號(hào)或關(guān)斷驅(qū)動(dòng)信號(hào)后，到檢測(cè)到所有JFET上電壓峰值時(shí)刻，用時(shí)4.5 μs實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷；且各個(gè)JFET 具備一致的動(dòng)態(tài)電壓峰值，未出現(xiàn)瞬時(shí)過(guò)壓，說(shuō)明樣機(jī)具備較好的動(dòng)態(tài)特性。

圖4 單支路直流固態(tài)斷路器樣機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Experimental platform for single branch DC SSCB prototype

圖5 測(cè)試場(chǎng)景Fig.5 Test scenario

圖6 正線支路動(dòng)態(tài)均壓（ch1～ch8 為Vds，Q1～Vds，Q8）Fig.6 Dynamic voltage equalization of positive line(ch1-ch8 represents Vds, Q1-Vds, Q8)

圖7 負(fù)線支路動(dòng)態(tài)均壓（ch1～ch8 為Vds，Q9～Vds，Q16）Fig.7 Dynamic voltage equalization of negative line(ch1-ch8 represents Vds, Q9-Vds, Q16)

靜態(tài)均壓測(cè)試電路與動(dòng)態(tài)均壓測(cè)試電路類(lèi)似，采用高電壓小電流的形式，取消了串聯(lián)電感，通過(guò)外部輸入關(guān)斷信號(hào)，使DWBB SSCB處于關(guān)斷常閉狀態(tài)，通過(guò)一臺(tái)4 kV/500 mA的直流電源分別給正、負(fù)線兩個(gè)支路提供高壓電，測(cè)試其靜態(tài)均壓特性。靜態(tài)均壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，串聯(lián)開(kāi)關(guān)兩端持續(xù)施加4 kV 直流電壓，8個(gè)支路的漏源極電壓穩(wěn)定，且各支路之間的電壓峰值差值小于25 V，排除各支路器件和采樣設(shè)備的差異，以及采樣誤差的影響，樣機(jī)的各支路靜態(tài)均壓一致性良好，滿足設(shè)計(jì)安全范圍要求。同時(shí)，通過(guò)改變直流母線輸出電壓，得到表2不同電壓下的靜態(tài)均壓值。

圖8 正線支路靜態(tài)均壓（ch1～ch8 為Vds，Q1～Vds，Q8）Fig.8 Static voltage equalization of positive line(ch1-ch8 represents Vds, Q1-Vds, Q8)

從表2可以看出，在DWBB SSCB關(guān)斷狀態(tài)，樣機(jī)在任意輸入電壓下均能實(shí)現(xiàn)一致的靜態(tài)均壓效果，漏電流IR與直流母線電壓VDC成正相關(guān)關(guān)系。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，依照本文提出的雙線雙向串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研制的樣機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)雙線雙向故障電流快速切斷，串聯(lián)開(kāi)關(guān)具備良好的均壓能力；同時(shí)，不串聯(lián)MOSFET 的新結(jié)構(gòu)具有常導(dǎo)通能力，是DC/DC實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)的前提條件。而SSCB 具備的接收系統(tǒng)指令主動(dòng)關(guān)閉能力也為控制系統(tǒng)對(duì)水下電纜進(jìn)線漏電檢測(cè)提供了可能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)深海DC/DC 的特殊應(yīng)用提出了一種基于常通型SIC JFET 的雙線雙向阻斷直流固態(tài)斷路器結(jié)構(gòu)，分析了JFET串聯(lián)均壓的主要影響因素與參數(shù)設(shè)計(jì)方法；并基于該設(shè)計(jì)方法研制了一臺(tái)DWBB SSCB樣機(jī)，對(duì)生產(chǎn)的樣機(jī)進(jìn)行了相關(guān)的過(guò)壓保護(hù)、靜態(tài)均壓、動(dòng)態(tài)均壓等試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的DWBB SSCB 樣機(jī)具備了雙線雙向的快速阻斷能力，串聯(lián)的JFET 表現(xiàn)出良好的關(guān)斷同步性、動(dòng)態(tài)均壓性，以及關(guān)斷后的靜態(tài)均壓特性。區(qū)別于SSCB ，DWBB SSCB基于JFET 的常導(dǎo)通特性可幫助DC/DC 實(shí)現(xiàn)黑啟動(dòng)功能，也能配合系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)水下電纜的漏電檢測(cè)功能。由于試驗(yàn)設(shè)備的局限，本文沒(méi)有在深海DC/DC的各種可能電應(yīng)力環(huán)境下對(duì)DWBB SSCB 進(jìn)行全面驗(yàn)證，也沒(méi)在深海水壓情況下驗(yàn)證其功能。接下來(lái)將在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)解決這些問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。