混合式直流断路器SiC器件自取能装置、方法及应用与流程

混合式直流断路器sic器件自取能装置、方法及应用
技术领域
1.本发明属于柔性直流输电领域，具体涉及一种混合式直流断路器sic器件自取能装置、方法及应用。


背景技术：

2.以新能源为主体的新型电力系统对电网的安全性、可靠性、可控性和灵活性提出了更高要求，未来电网中柔性直流输电装备的应用将日益广泛。直流断路器是输电线路中承载、开断直流运行回路正常电流以及各种故障电流的重要开关设备。直流断路器采用电力电子器件作为主开关元件，具有动作速度快、可靠性高、可控性强、无声响、无开断电弧等优点，能显著提高直流电力系统的可靠性，在清洁能源发电、海上供电的直流系统等方面有广阔的应用前景。混合式断路器结合了快速机械开关与电力电子器件，有更高的开端速度及更低的通态损耗，为近年直流断路器研究的主要方向。
3.混合直流断路器由主支路、辅助支路和能量吸收支路三部分组成。主支路一般由机械开关和电力电力半导体器件组成，辅助支路也叫电流转移支路，一般由电力电子半导体器件组成，能量吸收支路一般由moa组成。其工作原理如下：在通态情况下，电流从主支路流过，由于主支路是机械开关和少量电力电子器件，通态损耗较小，当发生故障时，辅助支路的电力电子器件导通，故障电流从主支路转移至辅助支路，主支路的机械开关断开，接着辅助支路的电力电子器件断开，电流从辅助支路转移至能量吸收支路，由moa吸收直流系统的剩余能量，完成对故障电流的切除。
4.在混合式直流断路器中，无论是大量串联的电力电子开关还是机械开关，均需要供能系统为其处于高电位的驱动单元提供稳定可靠的电能。现有研究表明断路器工况下其内部电容器长时间没有电荷，受限于该特殊工况使现有直流断路器中的电力电子开关无法直接从断路器内部高电位取能。目前的直流断路器供能系统只能通过隔离变压器从地面供能，这种供能方式结构复杂且成本较高。目前暂未有从断路器内部直接取能的方法提出。此外，位于主支路的辅助换流模块中的电力电子器件在断路器工作时长期通流还会存在发直流热问题，而当前柔性直流装备所采用的器件主要为硅基器件，工作温度控制严格，限制了混合断路器发展。与si相比，sic具有高能带、高导热性、高开关速度和低导通电阻等显著优势，高温耐受能力更强，采用sic基功率器件作为直流断路器的电力电子开关器件可以承受更高的结温。
5.sic功率器件的高温耐受能力，使其能承受断路器主支路电力电子器件长期通流产生的较高温度，这些热量主要由散热器散出，能量没有得到利用。热电偶可将热能直接转换为电能，热电偶的工作原理是在其两端形成温差，从而产生直流电压输出电能。这是一种直接将热能转换成电能的全固态能量转换方式，具有体积小、重量轻、无振动、无噪音、寿命长等优点，在工业余热或废热利用方面具有广阔的应用前景。因此，可利用温差发电的方法将断路器主支路sic基电力电子器件产生的热量转换成电能，从而为器件驱动电路提供能量，可以作为常规供能方式的备用从而提高装置整体可靠性。
6.在混合式直流断路器中，无论是大量串联的电力电子开关还是机械开关，均需要供能系统为其处于高电位的电力电子器件驱动单元提供稳定可靠的电能。现有研究表明断路器工况下其内部电容器长时间没有电荷，受限于该特殊工况使现有直流断路器中的电力电子开关无法直接从断路器内部高电位取能。目前的直流断路器供能系统只能通过隔离变压器从地面供能，这种供能方式结构复杂且成本较高。若直流断路器主支路中使用可以耐受200℃以上高温的碳化硅器件，就可以利用器件与环境之间的高温差对高电位驱动板卡进行发电自取能，这种取能方式可以直接从断路器内部取能，解决现有供能方式的不足，从而极大的降低设备制造及运维成本，同时大幅提高断路器的运行可靠性。
7.此外，现有技术如中国专利申请，其申请号：cn2019107778721，公开号，cn110429562 a，公开一种基于常通型sic器件的混合式高压直流断路器及其控制方法，包括通流支路、转移支路、能量吸收支路及控制系统；所述通流支路、转移支路和能量吸收支路并联连接在供电系统输出端的a节点和负载之前的b节点之间；通流支路包括顺次连接在ab节点间的快速机械开关和辅助sic全控型功率开关；转移支路包括常通型sic功率器件高压开关；能量吸收支路包括金属氧化物可变电阻；控制系统包括直流电流检测模块、驱动电路模块和控制电路模块；直流电流检测模块包括直流电流采样传感器和电压比较器，电压比较器将直流电流采样传感器的采样信号与参考电压相比较输出高低电平，控制电路模块根据直流电流检测模块输出的的高低电平对断路器的不同工作状态进行判断，向驱动电路模块发送信号；驱动电路模块根据控制电路模块输出的信号产生使断路器工作在不同工作状态下的驱动电压，加载于常通型sic功率器件高压开关中sic mosfet的栅极。申请号：cn201610551804x，公开号：cn106159882 a，公开一种基于sic mosfet的固态直流断路器及其控制方法，包括sic直流固态断路器、第一功率端子、第二功率端子、混合开关及控制系统，sic直流固态断路器包括阻尼支路、换流支路及高压sic mosfet开关，第一功率端子依次经阻尼支路、高压sic mosfet开关及换流支路与第二功率端子相连接，混合开关的两端分别与第一功率端子及第二功率端子相连接，控制系统的输出端与换流支路的控制端及混合开关的控制端相连接。
8.然而，上述现有技术都无法实现自取能以满足，无法实现通过电力电子开关器件的高电位驱动板卡供能，解决直流断路器的二次供能的问题，增加了设备制造及运维成本，降低了断路器的运行可靠性。


技术实现要素：

9.本发明提出的基于半导体温差发电的混合式直流断路器用sic器件自取能方法，将直流断路器主支路电力电子开关器件长期通流产生的热量，利用热电偶温差发电将热量转化成电能，为电力电子开关器件的高电位驱动板卡供能，解决了直流断路器的二次供能问题，极大的降低设备制造及运维成本，提高断路器的运行可靠性。
10.本发明提供了一种混合式直流断路器用sic器件自取能装置及其方法，通过热电偶温差发电实现直流断路器电力电子开关sic器件的驱动自取能，解决直流断路器驱动系统二次侧取能问题，极大的降低设备制造及运维成本，同时大幅提高断路器的运行可靠性。
11.本发明采用如下技术方案：
12.一种混合式直流断路器用sic器件自取能装置，包括sic功率器件模块、sic功率器
件散热器、热电偶及其散热器、升压稳压电路模块、驱动模块、电池供能模块；其特征是，所述电池供能模块为sic功率器件模块供能；所述sic功率器件模块与sic功率器件散热器通过散热胶紧密贴合，所述热电偶一端设置在sic功率器件散热器上，另一端与散热器紧贴；所述热电偶的电压输出端与升压稳压电路模块连接，所述升压稳压电路将热电偶发出电量提升为驱动系统供能，当实现自供能后切除电池供能模块。
13.优选为：所述升压稳压电路模块包括四个升压稳压电路串联而成，所述升压稳压电路由升压稳压芯片和电容、电感组成，可以将电压升至稳定的5v电压；所述升压稳压电路模块输入端连接热电偶电压输出端，每个热电偶都与升压稳压电路连接；所述升压稳压电路模块输出端连接驱动模块的输入端。
14.优选为：所述驱动模块由基板和栅极驱动器组成，所述基板包含光纤收发器；所述栅极驱动器包含器件的保护功能，可以由用户配置来优化终端应用程序电源堆栈中的操作。
15.本发明还公开一种混合式直流断路器用sic功率器件自取能方法，其特征为：包括如下步骤：
16.步骤一：采用电池供能模块为驱动模块进行初始供能，驱动sic功率器件模块长期通流产热；
17.步骤二：将sic功率器件模块放置在sic功率器件散热器上贴紧，随着sic功率器件模块温度升高，sic功率器件散热器温度也随之升高；搭建数学模型；
18.步骤三：启动热电偶冷端散热器的风扇，保证其冷端有较低温度，热电偶热端放置在sic功率器件散热器上，随着热端散热器温度升高，热电偶两端获得温差，产生直流电压；
19.步骤四：所述热电偶输出端连接升压稳压电路模块，每个热电偶经升压稳压电路升至5v，4个升压稳压电路串联构成升压稳压电路模块，最终升压稳压电路模块输出稳定的20v电压；
20.步骤五：升压稳压电路模块连接驱动供能端口，为驱动供能；
21.步骤六：断开电源供电模块，实现自取能。
22.本发明还公开一种混合式直流断路器，其特征为：包括上述混合式直流断路器用sic器件自取能装置。
23.本发明还公开一种将上述的混合式直流断路器sic器件自取能方法应用于柔性直流输领域中的高压大容量混合式直流断路器中主支路固态开关。
24.有益效果：本发明结构简单，成本低，可靠性高，解决了现有直流断路器二次侧取能的不足。
附图说明
25.图1为本发明基于温差发电的混合式直流断路器用sic器件自取能方法流程图；
26.图2a为本发明热电偶结构示意图；
27.图2b为本发明热点电偶等效电路示意图；
28.图3为升压稳压电路原理图；
29.图4为sic器件自取能方案三维示意图；
30.图5为sic器件散热器示意图；
31.图6为sic器件和热电偶两侧温度的随时间的变化情况曲线图；
32.图7为热电偶输出电压随温差变化情况。
具体实施方式
33.我们首先参考几篇现有技术，如专利申请号：cn2019206314072公开一种直流断路器，该文献所提直流断路器应用在低压电器技术领域，利用所设计的电热元件发电控制断路器开断，然而，本发明应用于柔性直流输电领域，针对高压大容量混合式直流断路器主支路的固态开关，且固态开关采用本身工作温度较高的sic功率器件，无需额外增加电热元件。
34.专利cn2019112197687公开一种电器设备中功率器件的供电电源和电器设备，该发明应在电器设备技术领域，且电器设备包括空调或冰箱，另外需要热量收集模块及冷端提供模块，本发明可直接通过所设计散热器结构取能，且需经过升压稳压模块的处理实现为驱动模块供能，本发明应用领域与其电器设备不符。
35.专利cn2019106744272公开一种断路器的数据传输操控系统，该文献所提操作系统利用断路器外壳少量热能发电，和太阳能发电一同为蓄电池供能，而本发明利用sic器件产生的200℃以上高温为驱动供能。
36.综上所述，现有技术与本发明所要解决的技术问题不同，同时本领域技术人员无法根据上述现有技术毫无疑义的设计出本发明技术方案，即上述技术方案不能给出技术启示，将其应用于本发明以得到本发明技术方案，解决本发明所要解决的技术问题。
37.本发明提供了一种混合式直流断路器用sic器件自取能装置及其方法，通过热电偶温差发电实现直流断路器固态开关sic器件的驱动自取能，解决直流断路器驱动系统二次侧取能问题，极大的降低设备制造及运维成本，同时大幅提高断路器的运行可靠性。
38.本发明应用于柔性直流输领域中的高压大容量混合式直流断路器中主支路固态开关，混合式直流断路器主支路的固态开关长期通流产生热量，同时固态开关需要驱动控制其开断，驱动能量无法从断路器中直接供应，只能从地面通过隔离变压器取能。所提出的发明方案可以有效解决这一问题。
39.目前以硅基绝缘栅双极型晶体管为代表，其最高电压6.5kv，已经接近其物理极限。同时，受限于硅材料的温度特性，其在高温领域已不适用。而碳化硅功率器件具有耐电压等级高、通流能力强、工作频率高、开关损耗低等优势，适合于高压、高温、高频等应用场合。当前柔性直流装备所采用的器件主要为硅基器件，工作温度控制严格(不超过120℃)，往往需要配备水冷系统以保证器件结温不超过规定范围。硅基器件工作允许温度较低，在直流断路器工况下硅基功率器件能提供的温差较少，无法利用温差发电的方法为固态开关驱动供能。
40.本发明采用sic功率器件作为混合式直流断路器固态开关，sic基器件工作允许温度达200℃以上，可以提供较高温差。未来如果高压碳化硅器件在电网中得到广泛应用，并能充分发挥起耐高温优势，可以大幅减小直流输电装备体积与重量，降低损耗，提高可靠性，可能会带来新型电力系统装备的变革和技术进步。
41.本发明采用如下技术方案：
42.提供了一种混合式直流断路器用sic器件自取能装置，包括sic功率器件模块、sic
功率器件散热器、热电偶及其散热器、升压稳压电路模块、驱动模块、电池供能模块。其特征是，先利用电池功能模块为sic功率器件驱动模块供能，令sic功率器件长期通流发热，将sic功率器件模块与sic功率器件散热器紧贴，将热电偶放置在sic功率器件散热器上且另一端与散热器紧贴，热电偶利用sic功率器件长期通流产生的高温差发电，将热电偶的电压输出端与升压稳压电路模块连接，升压稳压电路将热电偶发出电量提升为驱动系统供能，实现自供能后切除电池供能。
43.sic功率器件散热器需放置sic功率器件及热电偶，同时要保证器件与散热器之间的紧密贴合，散热器的翅片数设计要满足尽可能满足器件的散热要求。此外，为保证sic功率器件散热效果，在散热器内部铺设热管。
44.热电偶内部是由许多n型、p型半导体组成的半导体对串联而成，上下表面由陶瓷封装，当热电偶上下表面存在温差时输出直流电压。热电偶冷端需紧贴散热器，散热器的翅片数设计要满足尽可能满足热电偶冷端散热要求。
45.升压稳压电路模块由四个升压稳压电路串联而成，升压稳压电路由升压稳压芯片和电容电感组成，可以将电压升至稳定的5v电压，模块输入端连接热电偶电压输出端，每个热电偶都需和升压稳压电路连接，模块输出端连接驱动输入端为驱动供能。
46.驱动模块由基板和栅极驱动器组成，基板包含光纤收发器，栅极驱动器包含器件的保护功能，可以由用户配置来优化终端应用程序电源堆栈中的操作。
47.混合式直流断路器用sic器件自取能方法的实现，其步骤如下：
48.步骤一：采用电池供能模块为驱动模块进行初始供能，驱动sic功率器件模块长期通流产热；
49.步骤二：将sic功率器件模块放置在sic功率器件散热器上贴紧，随着sic功率器件模块温度升高，sic功率器件散热器温度也随之升高。根据所设计的sic功率器件自取能方案整体结构搭建了计算模型，模型包含了流体场与温度场的耦合，控制方程为：
[0050][0051][0052]
式中ρ和c
p
为材料密度和恒压热容，k为导热系数。下图为sic功率器件模块和热电偶两侧温度的随时间的变化情况，可以看出随着sic功率器件模块温度升高，热电偶两侧温度逐渐升高，且温差逐渐增大。
[0053]
步骤三：启动热电偶冷端散热器的小风扇，进行强制风冷保证冷端有较低温度，热电偶热端放置在sic功率器件散热器上，随着热端sic功率器件散热器温度升高，热电偶两端获得温差，发出直流电压。
[0054]
图2为热电偶单电偶模型原理图，热电偶工作时热量从高温热源传递到下板，构成了n型和p型两种半导体的高低温结。半导体的热结温度为t1，热量从热结点向t2温度的冷结点传热从而产生电流。通过热结点和冷结点的传热情况如下：
[0055][0056][0057]
式中：qh为温度发电器热端从热源吸收的热量，单位：w；α为半导体器件的塞贝克
系数，单位：v/w；t1、t2为热端和冷端温度，单位：k；k为半导体器件总的导热系数，单位：w/k；i为回路电流，单位：a；r为半导体器件的内阻，单位：ω。
[0058]
热结点和冷结点之间的温差而产生的电流与塞贝克效应成正比，与电路的总电阻成反比。
[0059][0060]
式中r
l
为回路负载。
[0061]
由电流产生的有用功率可表示为:
[0062]
p＝q
h-q
l
＝α(t
1-t2)-i2r＝i2r
l
[0063]
热电发电机的效率为:
[0064][0065]
实际的热电偶中大约有120对单电偶串联在一起，从而将电压提高到一个有用的水平。
[0066]
步骤四：热电偶输出电压与热电偶两侧温差成正比，参见图7热电偶输出电压随温差变化情况；
[0067]
驱动模块正常工作时需要外界供能，初始工作时驱动模块的能量由电池供能模块提供。对驱动模块供能需满足输入电压：18-36v，静态输入功率：1.1-1.7w，正常工作时输入功率：3.5-6.1w。随着热电偶两侧温差升高，输出电压和功率逐渐增加，当热电偶发出功率满足驱动供能要求时，断开电池供能模块，由热电偶温差发电为驱动供能。
[0068]
单个热电偶两侧温差达100℃时，输出功率达到0.6w，输出电压达2.5v。单个sic功率器件的驱动模块配置8个热电偶，发出功率可以满足驱动模块所需功率要求。
[0069]
由于热电偶输出电压随两侧温差增大逐渐增大，热电偶输出电压无法为驱动模块提供稳定电压。升压稳压电路模块由四个升压稳压电路串联组成，每个升压稳压电路可以将0.3-5.5v的输入电压，转化为稳定的5v输出电压。每个热电偶和升压稳压电路连接，可以输出5v电压，4个升压稳压电路串连构成的升压稳压模块可以输出20v电压，2.4w功率。将两个升压稳压模块并联可以输出20v电压、4.8w功率，完全满足为驱动模块供能所需要的条件。
[0070]
热电偶输出端连接升压稳压电路模块，每个热电偶经升压稳压电路升至5v，4个升压稳压电路串联构成升压稳压电路模块，最终升压稳压电路模块输出稳定的20v电压。
[0071]
步骤五：升压稳压电路模块连接驱动供能端口，为驱动供能；
[0072]
驱动模块直接与sic功率器件模块连接，直接决定sic功率器件模块的通断。sic功率器件模块工作在长期通流状态，驱动模块只需要给sic功率器件模块一个长通信号，此时驱动模块处于静态工作状态，因此热电偶为驱动模块供能时只需要满足驱动模块的静态功率。
[0073]
步骤六：断开电源供电模块，实现自取能；
[0074]
如图1所示，本发明的自取能方法是在混合式直流断路器工况下的利用温差发电对断路器中的电力电子开关中的sic器件自取能方法，先利用电池功能模块为sic功率器件
驱动模块供能，sic功率器件模块长期通流发热，导致sic功率器件模块温度升高，放置在sic功率器件散热器表面的热电偶两侧产生高温差，热电偶利用高温差发电，将热电偶的电压输出端与升压稳压电路模块连接，升压稳压电路将热电偶发出电量提升为驱动模块供能，驱动模块驱动sic功率器件模块，最后切除电池模块供能，实现温差发电自取能。
[0075]
如图2所示为本发明所使用的热电偶结构，热电偶内部由许多n型、p型半导体组成的半导体对串联而成，半导体由金属片串联，上下表面由陶瓷封装。热电偶对的等效原理图如下。
[0076]
如图3所示为本发明所采用的升压稳压电路，升压稳压电路由型号为tps61202的升压稳压芯片以及电容电感连接而成，电感l1为2.2μh，电容c1、c2、c3容值分别为10μf、0.1μf、10μf。输入电压的范围为0.3到5.5v，输出电压为稳定5v电压。升压稳压电路输入端连接热电偶输出端，将热电偶发出电压升至5v。
[0077]
如图4所示为本发明自取能方案整体结构配置方案，sic功率器件模块放置在sic功率器件散热器上，将sic功率器件模块与sic功率器件散热器紧贴，热电偶放置在sic功率器件散热器上且另一端与热电偶冷端散热器紧贴，热电偶冷端散热器上放置小风扇。
[0078]
如图5所示为本发明所采用的sic功率器件散热器结构，在散热器与sic器件和热电偶接触表面铺设热管，热管铺设应最大程度增大受热体范围的热量分布且尽可能均匀。
[0079]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。