摘 要：

相較于機(jī)械式斷路器，固態(tài)斷路器因其更快的分?jǐn)嗨俣群透叩膲勖葍?yōu)點(diǎn)被廣泛關(guān)注。介紹了一種基于SiC器件的低壓直流固態(tài)斷路器拓?fù)浜凸ぷ髟恚治銎浼夹g(shù)難點(diǎn)，包括低感封裝及器件設(shè)計(jì)、隔離開關(guān)技術(shù)和快速故障識(shí)別技術(shù)。研制了一種±375 V直流固態(tài)斷路器樣機(jī)，同時(shí)進(jìn)行了故障電流關(guān)斷測(cè)試和溫升測(cè)試。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)直流固態(tài)斷路器能夠在百微秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)1 kA短路電流分?jǐn)?，并具備快速故障識(shí)別、保護(hù)曲線可編程、外部通信與遠(yuǎn)程控制等功能。

關(guān)鍵詞：

固態(tài)斷路器; SiC器件; 器件封裝; 快速故障識(shí)別

中圖分類號(hào)： TM561

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）01-0001-05

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.01.001

Research on Key Technology of Low Voltage DC Solid State Circuit Breaker

WU Xin， TAO Chuangchuang， WANG Jingshuai， WU Yifei， WU Yi

（School of Electrical Engineering，Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China）

Abstract：

Compared with the mechanical circuit breakers，the solid-state circuit breakers have been widely focused for their advantages such as the faster breaking speed and higher lifetime.A low-voltage DC solid-state circuit breaker topology and operating principle based on SiC devices is introduced，and the technical difficulties of solid-state circuit breakers are analyzed，including the low-inductance package and device design，the isolated switch technology and the fast fault identification technology.A prototype of ±375 V DC solid-state circuit breaker is developed and tested for the fault current breaking and the temperature rise.The results show that the DC solid-state circuit breaker can achieve 1 kA short-circuit current breaking within a hundred microseconds.In addition，the prototype is equipped with the functions such as the fast fault identification，the programmable protection curve，the external communication and the remote control.

Key words：

solid-state circuit breaker; SiC device; device packaging; fast fault identification

0 引 言

隨著新能源接入、分布式電源以及新興負(fù)載的不斷發(fā)展，快速故障保護(hù)成為供配電系統(tǒng)的一大難題［1-3］。傳統(tǒng)的機(jī)械式斷路器開斷速度慢、電弧燒蝕嚴(yán)重等問(wèn)題顯著，難以滿足未來(lái)電網(wǎng)快速保護(hù)的要求［4-6］。固態(tài)斷路器采用電力電子器件（如SCR、MOSFET、IGBT、IGCT、IEGT等）為主控元件完成故障電流開斷，動(dòng)作速度快、無(wú)電弧、壽命高，具有很好的應(yīng)用前景［7-9］。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)固態(tài)斷路器技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究［10-11］。ABB公司采用逆阻型集成門極換流晶閘管（RB-IGCT）作為主開關(guān)，開發(fā)了一種1.5 kV/5 kA的框架式固態(tài)斷路器樣機(jī)［12］。ATOM公司開發(fā)了一種基于SiC MOSFET模塊的380 V/100 A塑殼式固態(tài)斷路器，其體積較小，且具有保護(hù)、計(jì)量、監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等功能，目前已應(yīng)用于汽車充電樁等低壓配電場(chǎng)景。泰永長(zhǎng)征等公司也相繼研發(fā)出了小容量的固態(tài)斷路器。

目前固態(tài)斷路器的研制還面臨著以下技術(shù)難點(diǎn)：器件并聯(lián)穩(wěn)定性問(wèn)題、短路故障快速識(shí)別技術(shù)、隔離與控制保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。為突破以上關(guān)鍵技術(shù)，本文提出兼顧體積和成本要求的固態(tài)斷路器方案，以此推動(dòng)固態(tài)斷路器工程化推廣應(yīng)用。

1 工作原理和功能

所設(shè)計(jì)的固態(tài)斷路器系統(tǒng)框架示意如圖1所示。包括電力電子器件VT1和VT2、機(jī)械隔離開關(guān)S1和S2、自取能電源、電壓和電流傳感器、控制保護(hù)系統(tǒng)等。

系統(tǒng)正常工作時(shí)，機(jī)械隔離開關(guān)閉合，電力電子開關(guān)導(dǎo)通，電流流過(guò)機(jī)械隔離開關(guān)和電力電子開關(guān)。當(dāng)斷路器需要開斷額定電流時(shí)，首先通過(guò)斷路器面板分閘按鈕或遠(yuǎn)程操控，給斷路器發(fā)送分閘命令;斷路器的處理器接收到分閘命令后，驅(qū)動(dòng)電力電子開關(guān)關(guān)斷;待電流成功開斷后，處理器控制機(jī)械隔離開關(guān)分閘，完成額定電流的開斷。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，處理器根據(jù)采集到的電流信號(hào)及保護(hù)整定值，判斷是否啟動(dòng)長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)、短延時(shí)保護(hù)或瞬動(dòng)保護(hù)。保護(hù)生效后，處理器依次控制電力電子開關(guān)和機(jī)械隔離開關(guān)開斷。

所設(shè)計(jì)固態(tài)斷路器具有快速故障識(shí)別、保護(hù)曲線可編程、外部通信與遠(yuǎn)程控制等功能。故障電流的快速識(shí)別通過(guò)高速ADC采集電流信號(hào)，處理器對(duì)采集到的電流信號(hào)進(jìn)行分析，采用三段式保護(hù)加電流上升率及電流增量保護(hù)（DDL）算法快速識(shí)別電流故障，并發(fā)出動(dòng)作指令;保護(hù)曲線可編程功能包括三段式保護(hù)和DDL保護(hù)參數(shù)的整定，用戶通過(guò)斷路器面板按鍵或遠(yuǎn)程控制對(duì)各參數(shù)進(jìn)行整定，整定好的參數(shù)將存儲(chǔ)至處理器中。外部通信和遠(yuǎn)程控制功能包括無(wú)線通信和有線通信兩種方式。無(wú)線通信方式允許用戶使用移動(dòng)設(shè)備對(duì)斷路器進(jìn)行整定及分合閘操作、查看斷路器狀態(tài)等;有線通信方式則是用戶通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)參數(shù)整定、分合閘控制、狀態(tài)查看等。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 寬禁帶器件并聯(lián)動(dòng)態(tài)均流及低感封裝技術(shù)

固態(tài)斷路器中的電力電子器件需要承載額定電流和開斷短路電流，要求電力電子器件具備低損耗和大容量的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的Si基器件（如Si IGBT、Si MOSFET）通態(tài)壓降大、額定損耗較大，往往需要龐大的散熱器。以SiC MOSFET為代表的寬禁帶半導(dǎo)體器件通態(tài)損耗低，非常適合應(yīng)用于固態(tài)斷路器的研制［13-14］。

由于單只電力電子器件的電流容量有限，在應(yīng)用于固態(tài)斷路器時(shí)需要并聯(lián)使用［15］。電力電子器件的并聯(lián)方式有分立器件并聯(lián)、裸芯片并聯(lián)和模塊并聯(lián)3種方式?？紤]到器件散熱和并聯(lián)支路參數(shù)的均勻性，采用裸芯片并聯(lián)封裝方案，并且研究了驅(qū)動(dòng)同步控制、并聯(lián)動(dòng)態(tài)均流、低感封裝等難題。所設(shè)計(jì)的低感SiC MOSFET芯片并聯(lián)布局及模塊實(shí)物如圖2所示。

通過(guò)研究器件并聯(lián)封裝的寄生參數(shù)分布，設(shè)計(jì)對(duì)稱封裝，改善了器件并聯(lián)關(guān)斷的穩(wěn)定性，提升了器件的短路關(guān)斷能力。不同DBC布局下SiC MOSFET關(guān)斷瞬態(tài)的柵極電壓波形如圖3所示。由圖3可見，所設(shè)計(jì)的SiC模塊關(guān)斷穩(wěn)定性好，無(wú)振蕩現(xiàn)象。

2.2 小體積高壽命隔離開關(guān)技術(shù)

固態(tài)斷路器中的機(jī)械隔離開關(guān)需要實(shí)現(xiàn)故障清除后的可靠隔離。這要求機(jī)械隔離開關(guān)具備足夠的斷口距離。同時(shí)機(jī)械隔離開關(guān)需要承載額定電流和短路沖擊電流，要求其具有良好的載流能力和足夠的觸頭保持力。考慮到應(yīng)用于低壓固態(tài)斷路器，機(jī)械隔離開關(guān)還需要具備小體積和高壽命的特點(diǎn)。

現(xiàn)有的低壓隔離開關(guān)方案多數(shù)采用電磁機(jī)構(gòu)直接提供觸頭合閘動(dòng)力和保持力，線圈匝數(shù)多、需長(zhǎng)時(shí)通流，存在體積大、壽命低、功耗大等問(wèn)題。本文所設(shè)計(jì)的隔離開關(guān)改進(jìn)了電磁機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，電磁機(jī)構(gòu)只需提供一個(gè)較小的力，便可以實(shí)現(xiàn)給雙極觸頭各施加一個(gè)較大的保持力，從而減小電磁機(jī)構(gòu)的體積;同時(shí)采用永磁體提供分合閘穩(wěn)態(tài)保持力，避免了電磁機(jī)構(gòu)線圈長(zhǎng)期通流，縮小了線圈的體積，降低了損耗和發(fā)熱;本文所設(shè)計(jì)的機(jī)械隔離開關(guān)采用電容給線圈提供驅(qū)動(dòng)脈沖電流，降低了隔離開關(guān)動(dòng)作時(shí)對(duì)控制電路電源的沖擊。此外，采用了彈簧緩沖機(jī)構(gòu)，降低了分合閘過(guò)程中的機(jī)械碰撞力，提高了使用壽命。

隔離開關(guān)觸頭有刀形觸頭、對(duì)接式觸頭、楔入形觸頭和插入式觸頭等類別，考慮到目標(biāo)固態(tài)斷路器的電流等級(jí)和雙極結(jié)構(gòu)，以及對(duì)體積的嚴(yán)格要求，本文機(jī)械隔離開關(guān)采用雙極橋式觸頭結(jié)構(gòu);小型隔離開關(guān)的驅(qū)動(dòng)形式有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、彈簧機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)和電磁機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，考慮到設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)于動(dòng)作速度、保持力和體積的要求，以及全電控的設(shè)計(jì)需求，采用雙穩(wěn)態(tài)電磁鐵驅(qū)動(dòng)隔離開關(guān)，并研究了觸頭保持機(jī)構(gòu)、觸頭散熱設(shè)計(jì)、隔離開關(guān)壽命提高等技術(shù)難題。所設(shè)計(jì)的小體積機(jī)械隔離開關(guān)裝置如圖4所示。通過(guò)Maxwell和ADAMS軟件優(yōu)化機(jī)械隔離開關(guān)電磁及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最終研制了小型化、壽命高的機(jī)械隔離開關(guān)。機(jī)械隔離開關(guān)運(yùn)動(dòng)特性仿真結(jié)果如圖5所示;機(jī)械隔離開關(guān)分合閘測(cè)試波形如圖6所示。由圖6可見，合閘過(guò)程可以在20 ms內(nèi)完成，分閘過(guò)程可以在10 ms內(nèi)完成，實(shí)現(xiàn)故障清除后的可靠故障隔離。

2.3 快速故障識(shí)別及控制保護(hù)技術(shù)

快速短路故障識(shí)別技術(shù)是實(shí)現(xiàn)固態(tài)斷路器快速故障清除的重要前提。相比于交流系統(tǒng)，直流系統(tǒng)供電線路較短，導(dǎo)致各電源首端的短路電流和分支的短路電流相差不大;線路阻抗小，使得短路電流幅值大，同時(shí)短路電流的上升速度快。在直流系統(tǒng)短路電流的上升階段進(jìn)行開斷操作，對(duì)短路電流能夠起到限流作用。同時(shí)，若能夠在短路電流發(fā)生初期識(shí)別短路故障，有利于直流斷路器快速和可靠切除系統(tǒng)短路故障。因此，針對(duì)直流系統(tǒng)的快速故障識(shí)別技術(shù)對(duì)于直流固態(tài)斷路器的研制十分重要。本文采用無(wú)磁芯差分霍爾電流傳感器芯片檢測(cè)電流，具有精度高、抗共模磁場(chǎng)干擾的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)FPGA對(duì)ADC采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FIR濾波，進(jìn)一步保證故障識(shí)別的準(zhǔn)確性。

目前，對(duì)直流供電系統(tǒng)保護(hù)技術(shù)的研究主要集中在城市軌道交通和船舶應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)。僅靠電流速斷和過(guò)流保護(hù)來(lái)切斷短路故障，效果往往不理想;隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合電流上升率和電流增量等的保護(hù)得以實(shí)現(xiàn)。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有一些成熟的直流牽引系統(tǒng)保護(hù)裝置產(chǎn)品，但是在故障識(shí)別速度等方面仍無(wú)法滿足本設(shè)計(jì)的固態(tài)斷路器要求。因此，本文采用FPGA和MCU作為控制器，結(jié)合DDL算法和三段式保護(hù)算法，研制了固態(tài)斷路器的快速故障識(shí)別及控制保護(hù)裝置，可以在幾十us內(nèi)完成短路故障識(shí)別和清除，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的快速可靠保護(hù)。DDL算法流程及控制保護(hù)硬件電路如圖7所示。

在固態(tài)斷路器保護(hù)特性方面，設(shè)置了可數(shù)字化編程的三段式動(dòng)作特性曲線，可靈活調(diào)整長(zhǎng)延時(shí)、短延時(shí)、瞬動(dòng)等保護(hù)特性;同時(shí)設(shè)置了DDL保護(hù)各參數(shù)的整定，使得目標(biāo)斷路器可以根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景，調(diào)整快速故障識(shí)別特性。DDL保護(hù)測(cè)試波形及三段式保護(hù)曲線如圖8所示。DDL保護(hù)測(cè)試參數(shù)整定為E=3 A/μs、F=1 A/μs，ΔImax=300 A，Δt=10 μs，ΔImin=300 A，Tmax=10 μs，測(cè)試結(jié)果為DDL+ΔT先動(dòng)作;三段式保護(hù)中瞬動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)間為12 μs，長(zhǎng)延時(shí)和短延時(shí)保護(hù)均為反時(shí)限保護(hù)。另外，在控制系統(tǒng)中集成了無(wú)線通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、可視化界面等功能，使固態(tài)斷路器的智能化進(jìn)一步提升。

3 樣機(jī)集成與測(cè)試

基于SiC器件，研制了±375 V直流固態(tài)斷路器樣機(jī)。直流固態(tài)斷路器樣機(jī)實(shí)物如圖9所示;直流固態(tài)斷路器關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

直流固態(tài)斷路器短路開斷測(cè)試波形如圖10所示。開斷峰值電流＞1 kA，開斷峰值電壓755 V，整個(gè)短路故障清除時(shí)間約為200 μs。風(fēng)冷條件下直流固態(tài)斷路器溫升測(cè)試結(jié)果如圖11所示。實(shí)驗(yàn)測(cè)試中散熱風(fēng)扇的風(fēng)速為5.2 m/s，斷路器散熱面積為84×120 mm2。由圖11可見，固態(tài)斷路器在額定工作狀態(tài)下器件的最大溫升為69 K，滿足實(shí)際工程應(yīng)用需求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文介紹了一種基于SiC器件的低壓直流固態(tài)斷路器，包括原理、功能、樣機(jī)研制和測(cè)試等。該直流固態(tài)斷路器導(dǎo)通損耗較低，可在百us內(nèi)實(shí)現(xiàn)短路電流的分?jǐn)?，滿足低壓供配電系統(tǒng)快速保護(hù)要求。同時(shí)，該固態(tài)斷路器還具備機(jī)械隔離、故障檢測(cè)、遠(yuǎn)程控制和通信等功能。

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收稿日期： 20231020