CN111952991B - 一种主从驱动器件串联式直流断路器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种主从驱动器件串联式直流断路器，属于主从驱动器件串联式直流断路器技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种具有振荡抑制功能的主从式驱动器件串联直流断路器电路结构及其控制方法的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：包括主分断模块和功率端振荡抑制模块，直流断路器的正极功率端子P与功率端振荡抑制模块相连，直流断路器的负极功率端子N与主分断模块相连，所述主分断模块内部还设置有驱动端振荡抑制模块，所述功率端振荡抑制模块的输出端并接驱动端振荡抑制模块的驱动端子后与直流断路器的负极功率端子N相连；所述驱动端振荡抑制模块与直流断路器的负极功率端子N之间还设置有至少两个级联器件；本发明应用于直流断路器。

Description

一种主从驱动器件串联式直流断路器及其控制方法

技术领域

本发明一种主从驱动器件串联式直流断路器，属于主从驱动器件串联式直流断路器技术领域。

背景技术

直流断路器作为交直流输配电系统中过流和短路保护装置，为直流供电系统安全可靠工作提供了保障。不同于交流输电系统自然存在的电流过零点，传统的机械断路器可以在过零点处实现灭弧操作，直流系统不存在自然过零点，这给机械式断路器的灭弧装置设计提出了难题，需要增加了振荡电路制造电流过零点。与机械式断路器相比，采用功率半导体器件的固态直流断路器及机械-固态混合式直流断路器利用功率半导体器件的开关动作分断短路电流，外部避雷器等能量吸收装置吸收短路过程中限流电抗上储存的短路能量，这一优异特性使得直流短路电流得以快速分断，实现直流系统的快速，可靠保护。

目前的商用功率半导体器件的耐压较低，难以满足直流输电网的需求，需要采用器件串联的方式以提高断路器的耐压等级。近年来，研究人员提出利用电容耦合原理驱动串联器件以降低驱动控制系统的复杂性，这种拓扑可以利用主动器件的端电压变化对从动器件进行驱动控制，利用补偿电容与缓冲电路实现串联器件的动态电压均衡。

固态式直流断路器中，在分断直流短路电流后，断路器的端电压上会出现振荡现象，该振荡现象在电容耦合性串联驱动拓扑中会造成从动器件的驱动信号发生振荡，导致从动器件导通，串联器件的动态电压不均衡。为了解决耦合式串联驱动拓扑在断路器应用中的振荡问题，有必要提出一种可靠性高，成本低的包含振荡抑制功能的主从式驱动器件串联直流断路器拓扑结构。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种具有振荡抑制功能的主从式驱动器件串联直流断路器电路结构及其控制方法的改进。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种主从驱动器件串联式直流断路器，包括主分断模块和功率端振荡抑制模块，直流断路器的正极功率端子P与功率端振荡抑制模块相连，直流断路器的负极功率端子N与主分断模块相连，所述主分断模块内部还设置有驱动端振荡抑制模块，所述功率端振荡抑制模块的输出端并接驱动端振荡抑制模块的驱动端子后与直流断路器的负极功率端子N相连；

所述驱动端振荡抑制模块与直流断路器的负极功率端子N之间还设置有至少两个级联器件。

所述级联器件具体为两个串联的功率半导体器件：主动器件M1和从动器件M2，作为断路器的短路电流分断元件，其中从动器件M2的驱动端与驱动端振荡抑制模块的驱动端子相连；

所述主动器件M1和从动器件M2的控制端通过导线与控制器相连，控制信号由控制器提供，根据所用器件的不同调整驱动电压的正负电平幅值，由单个控制信号实现两个串联器件的驱动控制。

所述驱动端振荡抑制模块具体为由稳压二极管Zd，阻尼电阻Rg，阻尼电容Cd组成的π型网络电路；

所述驱动端振荡抑制模块的驱动端子分别为G1、G2，所述驱动端振荡抑制模块的源极端子分别为S1、S2，所述驱动端振荡抑制模块的电路结构为：

所述驱动端子G1通过导线并接稳压二极管Zd的负极后与阻尼电阻Rg的一端相连，所述阻尼电阻Rg的另一端并接阻尼电容Cd的一端后与驱动端子G2相连，所述源极端子S1的通过导线依次并接稳压二极管Zd的正极、阻尼电容Cd的另一端后与源极端子S2相连。

所述功率端振荡抑制模块具体为由高压二极管Df、阻尼电阻Rd组成的网络电路；

所述功率端振荡抑制模块的正极端子为P1、负极端子为N1，所述功率端振荡抑制模块的电路结构为：

所述高压二极管Df的正极并接阻尼电阻Rd的一端后与正极端子P1相连，所述高压二极管Df的负极并接阻尼电阻Rd的另一端后与负极端子N1相连。

所述主分断模块的电路结构为：所述负极端子N1分别并接二极管Ds2的正极，电阻Rs2的一端，从动器件M2的漏极，电阻R2的一端，可调电阻Var2的一端后与电容C2的一端相连，所述二极管Ds2的负极并接电阻Rs2的负极后与电容Cs2的一端相连，所述电容Cs2的另一端分别并接从动器件M2的源极、二极管Ds1的正极、电阻Rs1的一端后与主动器件M1的漏极相连，所述二极管Ds1的负极并接电阻Rs1的另一端后与电容Cs1的一端相连，所述电容Cs1的另一端分别并接主动器件M1的源极、电阻R1的一端、电容C1的一端、可调电阻Var1的一端、电容C2的另一端后与直流断路器的负极功率端子N相连；

所述驱动端振荡抑制模块的驱动端子G2与从动器件M2的驱动端子相连；

所述驱动端振荡抑制模块的源极端子S2与从动器件M2的源极相连；

所述驱动端振荡抑制模块的驱动端子G1分别并接电阻R1的另一端、电容C1的另一端、可调电阻Var1的另一端后与二极管D1的负极相连；

所述二极管D1的正极与主动器件M1的驱动端子相连；

所述驱动端振荡抑制模块的源极端子S1并接电阻R2的另一端后与可调电阻Var2的另一端相连。

一种主从驱动器件串联式直流断路器控制方法，包括如下步骤：

步骤一：当线路或设备处于正常工作状态时，控制单元发出高电平信号控制主分断模块中的两个串联级联器件保持导通，负载电流流过功率端振荡抑制模块中的二极管及主分断模块中的两个串联级联器件的导通沟道；

步骤二：当系统检测到短路故障发生后，主分断模块中的控制端子两端的驱动电平由高变低，主分断模块随后执行短路电流分断操作；

步骤三：当短路能量完全被吸收后，两个串联级联器件均处于断开状态，断路器处于断开状态；

步骤四：当故障解除后，主分断模块中的控制端子两端的驱动电平由低变高，控制主动器件M1开通，从动器件M2通过电容耦合原理控制进入导通状态，负载电流流过功率端振荡抑制模块中的二极管及主分断模块中的两个串联级联器件的导通沟道，此时直流断路器处于承载正常负载电流流通状态。

本发明相对于现有技术具备的有益效果为：本发明提供一种具有振荡抑制功能的主从式驱动器件串联直流断路器，主要由两个功率半导体器件串联作为短路电流的主分断元件对短路电流进行分断操作，两个功率半导体器件和若干外围电阻、电容无源元件，二极管元件构成主分断模块，该单元内两个串联功率器件采用主从驱动型控制电路，只需要单个独立的外部驱动即可实现串联器件驱动及电压均衡控制功能；本发明设置的主分断模块包含驱动振荡抑制电路单元，将驱动振荡抑制单元与功率端振荡抑制模块共同作用，可以避免在短路电流分断阶段电路振荡现象对主从驱动控制的影响，防止从动器件误导通，进而造成串联器件电压不均衡及端电压的振荡；本发明提供的直流断路器拓扑结构中，主分断模块中的功率器件由MOSFET或者IGBT实现，只需控制单元提供一对驱动信号即可实现两个级联器件的控制。

本发明提供的断路器拓扑结构简单，只需少量无源元件即可实现串联器件的主从式驱动控制，控制方案大大降低，同时功率端及控制端振荡抑制单元共同作用抑制了主从式驱动在分断短路电流后的振荡现象，在不影响断路器分断短路电流能力的前提下提升不同电压，电流等级下短路电流分断过程中的电路稳定性，为直流系统保护提供了简单可靠的解决方案。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图1为本发明直流断路器的电路结构示意图；

图中：1为主分断模块、2为功率端振荡抑制模块、3为驱动端振荡抑制模块、4为级联器件；

元器件标号中：

P，N为直流断路器的功率端子，其中P为正极功率端子，N为负极功率单子；

G，S为直流断路器的控制端子，其中G是控制端子的门极驱动端，S是控制端子的地；

M1，M2为直流断路器主分断模块中的串联功率半导体器件；

Rs1，Rs2为器件M1，M2的RCD缓冲电路中的电阻；

Cs1，Cs2为器件M1，M2的RCD缓冲电路中的电容；

Ds1，Ds2为器件M1，M2的RCD缓冲电路中的二极管；

R1，R2为静态均压电阻；

Var1，Var2为吸收短路能量的压敏电阻；

电容C1，C2为串联功率半导体器件的驱动电容和动态均压电容；

D1为在导通状态时为器件M2提供稳定驱动电压的二极管；

端子d1，s1分别是器件M1的漏极和源极；

端子d2，s2分别是器件M2的漏极和源极；

端子g1，g2分别是器件M1和M2的驱动端子；

Df为功率端振荡抑制模块中的正向二极管；

Rd为功率端振荡抑制模块中的阻尼电阻；

Zd为驱动端振荡抑制电路单元中的门极保护稳压二极管；

Cd为驱动端振荡抑制电路单元中的振荡抑制电容；

Rg为驱动端振荡抑制电路单元中的门极驱动电阻。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种具有振荡抑制功能的主从式驱动器件串联直流断路器，在直流断路器中，直流断路器功率端子P与功率端振荡抑制短路单元中的P1端子相连，功率端振荡抑制模块中的N1端子与主分断模块中器件M2相连。功率端振荡抑制模块主分断模块中，器件M2与器件M1相连。器件M1与直流断路器的功率端子N相连。

在主分断模块中，器件M1和M2串联，即M1的漏极与M2的源极相连。功率半导体器件M1与M2是碳化硅MOSFET和IGBT中的一种，器件M1通过端子d1和s1实现两种器件的替换，器件M2通过端子d2和s2实现两种器件的替换。

在主分断模块中，Rs1与Cs1串联作为缓冲电路，之后与器件M1并联。也即，Rs1的左端与器件M1的d1相连，Cs1的右端与器件M1的s1相连，Rs1的右端与Cs1的左端相连。二极管Ds1与Rs1并联，也即Ds1的左端与Rs1的左端相连，Ds1的右端与Rs1的右端相连。

在主分断模块中，Rs2与Cs2串联作为缓冲电路，之后与器件M2并联。也即，Rs2的左端与器件M2的d1相连，Cs2的右端与器件M2的s2相连，Rs2的右端与Cs2的左端相连。二极管Ds2与Rs2并联，也即Ds2的左端与Rs2的左端相连，Ds2的右端与Rs2的右端相连。

在主分断模块中，R1，C1，Var1并联，也即R1，C1，Var1的左端直接连接，R1，C1，Var1的右端直接连接。R1的左端与驱动端振荡抑制电路的控制端子G1相连。R1的右端与直流断路器的功率端子N相连。

在主分断模块中，直流断路器的控制端子G，S分别与器件M1的驱动端子g1，源极s1相连。驱动端子G与二极管的上端（正极）相连，二极管的下端（负极）与电阻R1的左端相连。

在主分断模块中，电阻R2与Var2并联，也即电阻R2的左端与Var2的左端相连，电阻R2的右端与Var2的右端相连。电阻R2的左端与器件M2的d2端子、功率端振荡抑制模块的功率端子N1相连。电阻R2的右端与驱动端振荡抑制电路单元的端子S1相连。电容C2的左端与N1相连，电容C2的右端与N相连。

在功率端振荡抑制模块中，Df与Rd相并联，也即Df的上端与Rd的上端相连形成端子P1，该端子与直流断路器的功率端子P相连，Df的下端与Rd的下端相连形成端子N1，与主分断模块中器件M2的端子d2相连。

在驱动端振荡抑制电路单元中，S1与S2相连。Zd并联在G1与S1两端，Zd的上端（负极）与G1相连，Zd的下端（正极）与S1相连。Cd并联在G2于S2两端，Cd的上端与G2相连，Cd的下端与S2相连。Rd串联在G1与G2之间，Rd的左端与G1相连，Rd的右端与G2相连。

主分断模块中的串联器件数目可由实际需求而定，图1所示为两个功率半导体器件串联的具体实施案例，每个器件均可由多个电流等级较低功率半导体器件并联组成，具体串并联器件的功率等级与数量可由实际需求而定。

本发明提出一种具有振荡抑制功能的主从式驱动器件串联直流断路器，其控制方法简单，具体的控制过程如下：

当线路或设备处于正常工作状态时，控制单元发出高电平控制主分断模块中的两个串联器件保持导通，负载电流流过功率端振荡抑制电路中的二极管及主分断模块中的两个串联功率半导体器件的导通沟道。当系统检测到短路故障发生后，主分断模块中的控制端子两端的驱动电平由高变低，主分断模块随后执行短路电流分断操作。当短路能量完全被吸收后，两个串联器件均处于断开状态，断路器处于断开状态。当故障解除后，主分断模块中的控制端子两端的驱动电平由低变高，控制主动器件开通，从动器件通过电容耦合原理控制进入导通状态，负载电流流过功率端振荡抑制电路中的二极管及主分断模块中的两个串联功率半导体器件的导通沟道，直流断路器处于承载正常负载电流流通状态。

进一步的，本发明直流断路器利用电压较低的功率半导体器件串联组成耐压更高的直流断路器，串联器件的驱动采用电容耦合式驱动原理。

本发明断路器包括功率端振荡抑制模块和主分断模块。

其中执行单元的主体是两个功率半导体器件的串联结构，外部控制器通过两个驱动端子对串联功率半导体器件进行驱动控制，进行直流短路电流的分断操作，并对储存在限流电抗器上的短路能量进行吸收，且整个过程没有明显的振荡现象，保证了从动器件的驱动可靠性，确保直流断路器的安全稳定运行。

所述主分断模块中，包含四个端子，两个控制端子，两个功率端子。

控制端子与外部控制单元连接，功率端子为直流断路器与直流系统的连接接口。

所述主分断模块中，除了两个串联的功率半导体器件外，仅包含电阻，电容，避雷器等无源元件及稳压二极管，高压二极管等单向导电器件。

该拓扑结构可以利用电容耦合原理实现主动器件的外部驱动对从动器件的可靠控制，同时串联半导体功率器件的动态电压均衡和静态电压均衡也可以得到保证。

所述主分断模块中，短路能量吸收元件为压敏电阻，且两个压敏电阻并联在对应的静态均压电阻两端。

所述功率端振荡抑制模块与主分断模块相连，功率端振荡抑制模块中的二极管与主分断模块中的串联功率器件的导电沟道流通直流负载电流。

所述功率端振荡抑制模块与主分断模块内的驱动端振荡抑制电路共同作用，在直流断路器吸收完短路能量后抑制端电压与从动器件驱动上的电压的振荡，保证从动器件有稳定的负压，防止从动器件误导通。

所述主分断单元中，直流断路器的驱动端与驱动端振荡抑制电路单元的驱动端相连，该拓扑不局限于两个级联器件，该拓扑可以拓展至基于三个及以上级联器件的断路器拓扑，同时，每个串联器件也可由多个电流等级较低的器件并联组成，所述功率半导体器件是碳化硅MOSFET器件或IGBT器件。

关于本发明具体结构需要说明的是，本发明采用的各部件模块相互之间的连接关系是确定的、可实现的，除实施例中特殊说明的以外，其特定的连接关系可以带来相应的技术效果，并基于不依赖相应软件程序执行的前提下，解决本发明提出的技术问题，本发明中出现的部件、模块、具体元器件的型号、连接方式除具体说明的以外，均属于本领域技术人员在申请日前可以获取到的已公开专利、已公开的期刊论文、或公知常识等现有技术，无需赘述，使得本案提供的技术方案是清楚、完整、可实现的，并能根据该技术手段重现或获得相应的实体产品。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种主从驱动器件串联式直流断路器，包括主分断模块（1）和功率端振荡抑制模块（2），其特征在于：直流断路器的正极功率端子P与功率端振荡抑制模块（2）相连，直流断路器的负极功率端子N与主分断模块（1）相连，所述主分断模块（1）内部还设置有驱动端振荡抑制模块（3），所述功率端振荡抑制模块（2）的输出端并接驱动端振荡抑制模块（3）的驱动端子后与直流断路器的负极功率端子N相连；

所述驱动端振荡抑制模块（3）与直流断路器的负极功率端子N之间还设置有至少两个级联器件（4）；

所述级联器件（4）具体为两个串联的功率半导体器件：主动器件M1和从动器件M2，作为断路器的短路电流分断元件，其中从动器件M2的驱动端与驱动端振荡抑制模块（3）的驱动端子相连；

所述主动器件M1和从动器件M2的控制端通过导线与控制器相连，控制信号由控制器提供，根据所用器件的不同调整驱动电压的正负电平幅值，由单个控制信号实现两个串联器件的驱动控制；

所述驱动端振荡抑制模块（3）具体为由稳压二极管Zd，阻尼电阻Rg，阻尼电容Cd组成的π型网络电路；

所述驱动端振荡抑制模块（3）的驱动端子分别为G1、G2，所述驱动端振荡抑制模块（3）的源极端子分别为S1、S2，所述驱动端振荡抑制模块（3）的电路结构为：

所述驱动端子G1通过导线并接稳压二极管Zd的负极后与阻尼电阻Rg的一端相连，所述阻尼电阻Rg的另一端并接阻尼电容Cd的一端后与驱动端子G2相连，所述源极端子S1的通过导线依次并接稳压二极管Zd的正极、阻尼电容Cd的另一端后与源极端子S2相连；

所述功率端振荡抑制模块（2）具体为由高压二极管Df、阻尼电阻Rd组成的网络电路；

所述功率端振荡抑制模块（2）的正极端子为P1、负极端子为N1，所述功率端振荡抑制模块（2）的电路结构为：

所述高压二极管Df的正极并接阻尼电阻Rd的一端后与正极端子P1相连，所述高压二极管Df的负极并接阻尼电阻Rd的另一端后与负极端子N1相连；

所述主分断模块（1）的电路结构为：所述负极端子N1分别并接二极管Ds2的正极，电阻Rs2的一端，从动器件M2的漏极，电阻R2的一端，可调电阻Var2的一端后与电容C2的一端相连，所述二极管Ds2的负极并接电阻Rs2的负极后与电容Cs2的一端相连，所述电容Cs2的另一端分别并接从动器件M2的源极、二极管Ds1的正极、电阻Rs1的一端后与主动器件M1的漏极相连，所述二极管Ds1的负极并接电阻Rs1的另一端后与电容Cs1的一端相连，所述电容Cs1的另一端分别并接主动器件M1的源极、电阻R1的一端、电容C1的一端、可调电阻Var1的一端、电容C2的另一端后与直流断路器的负极功率端子N相连；

所述驱动端振荡抑制模块（3）的驱动端子G2与从动器件M2的驱动端子相连；

所述驱动端振荡抑制模块（3）的源极端子S2与从动器件M2的源极相连；

所述驱动端振荡抑制模块（3）的驱动端子G1分别并接电阻R1的另一端、电容C1的另一端、可调电阻Var1的另一端后与二极管D1的负极相连；

所述二极管D1的正极与主动器件M1的驱动端子相连；

所述驱动端振荡抑制模块（3）的源极端子S1并接电阻R2的另一端后与可调电阻Var2的另一端相连。

2.根据权利要求1所述的一种主从驱动器件串联式直流断路器，其特征在于：主从驱动器件串联式直流断路器的控制方法，包括如下步骤：

步骤一：当线路或设备处于正常工作状态时，控制单元发出高电平信号控制主分断模块（1）中的两个串联级联器件（4）保持导通，负载电流流过功率端振荡抑制模块（2）中的二极管及主分断模块（1）中的两个串联级联器件（4）的导通沟道；

步骤二：当系统检测到短路故障发生后，主分断模块（1）中的控制端子两端的驱动电平由高变低，主分断模块（1）随后执行短路电流分断操作；

步骤三：当短路能量完全被吸收后，两个串联级联器件（4）均处于断开状态，断路器处于断开状态；

步骤四：当故障解除后，主分断模块（1）中的控制端子两端的驱动电平由低变高，控制主动器件M1开通，从动器件M2通过电容耦合原理控制进入导通状态，负载电流流过功率端振荡抑制模块（2）中的二极管及主分断模块（1）中的两个串联级联器件（4）的导通沟道，此时直流断路器处于承载正常负载电流流通状态。

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