用于直流断路器的固态辅助气隙的制作方法

本公开一般地涉及直流（dc）固态断路器，更具体地，涉及一种具有具备低额定电压的电力电子器件的直流固态断路器，这些电力电子器件被配置为用于建立固态辅助气隙。

背景技术：

1、在现今的电力分配中，交流（ac）电源被广泛应用于各种电气系统。然而，许多电子设备和终端系统、例如电动汽车、家用电器和数据中心使用直流（dc）电源。因此，交流与直流之间的转换不可避免，并且在转换点处产生能量损耗。直接的直流-直流（dc-dc）供电效率要高得多。直流供电系统的一个基本问题是，现有的保护设备、例如断路器主要是针对交流系统设计的，不适合用于电压相近的直流系统。例如，额定电压为120伏（v）的交流断路器无法在125 v的直流系统中使用，而仅能够在诸如48 v的较低的直流电压情况下使用。这主要是因为在现今的热磁断路器中使用的触点会产生电弧，这些电弧在没有交流系统中的自然过零点的情况下无法被有效地熄灭。出于效率考虑，现今的系统需要越来越高的直流电压、例如380 v和500 v，这些直流电压需要昂贵并且笨重的机械设计，但是仍然可能由于没有过零点这一固有问题而面临可靠性问题。因此，需要一种更小巧、更具成本效益并且更可靠的直流断路器设计。

2、固态断路器使用电力电子器件作为开关部件来代替传统热磁断路器中的触点，并且开关过程没有电弧。因此，固态断路器在交流系统和直流系统两者中都展现出广阔的应用前景。然而，固态断路器通常在电力电子部件的串联电路中具有气隙，用于隔离的目的。对于针对交流系统设计的固态断路器，当电力电子器件在短路条件下发生故障时，气隙可以用作故障安全机制。在这种情形下，借助自然过零点，电弧可以简单地中断交流电源。在直流系统中，如上面所讨论的，气隙可能由于其自己在中断时发生故障的可能性而无法再作为可靠的故障安全机制。因此，需要一种改进的用于直流固态断路器的系统架构。

技术实现思路

1、一种直流（dc）固态断路器包括电力电子部分、气隙部分以及感测和控制电路。该电力电子部分包括第一固态开关部件。该气隙部分与该电力电子部分串联连接，以建立主电流路径。该气隙部分实现隔离开关，该隔离开关与故障安全中断电路串联连接，该故障安全中断电路包括彼此并联连接的电流换向开关、第二固态开关部件以及过电压保护器件。响应于检测到故障事件和/或断开命令，该感测和控制电路执行故障安全操作，该故障安全操作在一定的时间段内控制隔离开关，并且在控制隔离开关之后出现的延迟的时间段内控制电流换向开关和第二固态开关部件。

2、根据另一个非限制性实施例，提供了一种中断向连接到直流固态断路器的负载输送的电流的方法。所述方法包括：向连接到直流固态断路器的负载输送电流，该直流固态断路器包括电力电子部分以及与气隙部分串联连接的气隙部分。该气隙部分包括故障安全中断电路，该故障安全中断电路包括彼此并联连接的电流换向开关、第二固态开关部件以及过电压保护器件。所述方法还包括：检测直流固态断路器中的电气故障和/或断开命令。所述方法还包括：执行故障安全操作，该故障安全操作在一定的时间段内控制隔离开关，并且在控制隔离开关之后出现的延迟的时间段内控制电流换向开关和第二固态开关部件。

1.一种直流（dc）固态断路器，包括：

2.根据权利要求1所述的直流固态断路器，其中，所述故障安全操作包括多个开关序列，所述开关序列利用所述故障安全中断电路延迟所述负载电流的完全中断，直到在利用所述隔离开关对所述负载电流进行初始延迟之后为止。

3.根据权利要求2所述的直流固态断路器，其中，所述多个开关序列包括第一开关序列，所述第一开关序列包括：

4.根据权利要求3所述的直流固态断路器，其中，所述多个开关序列包括第二开关序列，所述第二开关序列包括：

5.根据权利要求4所述的直流固态断路器，其中，所述多个开关序列包括第三开关序列，所述第三开关序列包括：在维持所述电流换向开关断开的同时，在所述延迟的时间段之后出现的关断时间段内，使所述第二固态开关部件关断。

6.根据权利要求5所述的直流固态断路器，其中，所述第二开关序列建立旁路电流路径，所述旁路电流路径被配置为用于，在将所述电流换向开关旁路的同时，将所述负载电流输送到所述第二固态开关部件。

7.根据权利要求6所述的直流固态断路器，其中，所述第三开关序列建立能量吸收路径，所述能量吸收路径被配置为用于，在将所述电流换向开关旁路的同时，将所述负载电流输送到所述过电压保护器件。

8.根据权利要求1所述的直流固态断路器，其中，所述感测和控制电路包括：

9.根据权利要求1所述的直流固态断路器，其中，所述第二固态开关部件包括金属氧化物半导体场效应晶体管（mosfet）或者晶闸管。

10.根据权利要求1所述的直流固态断路器，其中，所述过电压保护器件包括金属氧化物变阻器（mov）、瞬态电压抑制（tvs）二极管和缓冲电路中的至少一个。

11.一种中断向连接到直流固态断路器的负载输送的电流的方法，所述方法包括：

12.根据权利要求11所述的方法，其中，执行所述故障安全操作包括执行多个开关序列，所述开关序列利用所述故障安全中断电路延迟所述负载电流的完全中断，直到在利用所述隔离开关对所述负载电流进行初始延迟之后为止。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，执行所述多个开关序列包括执行第一开关序列，以用于在所述第二固态开关部件处于导通或者关断中的一个的同时，并且在保持所述电流换向开关闭合的同时，在所述一定的时间段内断开所述隔离开关。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，在所述第一开关序列期间断开所述隔离开关产生电弧，所述电弧在所述隔离开关上施加电弧电压。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，在使所述第二固态开关部件关断之后，所述电弧电压保留在所述隔离开关上，使得所述电压在所述隔离开关与所述电流换向开关、所述第二固态开关部件和所述过电压保护器件的并联连接之间分担。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，执行所述多个开关序列包括执行第二开关序列，所述第二开关序列包括：

17.根据权利要求16所述的方法，其中，执行所述多个开关序列包括执行第三开关序列，所述第三开关序列包括：在维持所述电流换向开关断开的同时，在所述延迟的时间段之后出现的关断时间段内，使所述第二固态开关部件关断。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，执行所述第二开关序列建立旁路电流路径，所述旁路电流路径被配置为用于，在将所述电流换向开关旁路的同时，将所述负载电流输送到所述第二固态开关部件。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，执行所述第三开关序列建立能量吸收路径，所述能量吸收路径被配置为用于，在将所述电流换向开关旁路的同时，将所述负载电流输送到所述过电压保护器件。

20.根据权利要求11所述的方法，所述方法还包括：