一种基于SiCJFET的双向直流固态断路器的制作方法

一种基于sic jfet的双向直流固态断路器
技术领域
1.本发明涉及中低压直流微网和直流配电的故障保护技术领域，具体涉及一种基于sic jfet的双向直流固态断路器拓扑结构。


背景技术：

2.随着可再生能源发电与分布式发电的迅速发展，直流配电及直流微电网的重要性日益提高，对其研究也更加深入和广泛。但由于直流电流无过零点、上升速度快等固有特点，对于直流故障电流的清除和保护成为直流电网保护的重点之一，而对直流保护关键设备的研制是故障电流保护的关键。固态断路器区别与传统机械断路器和混合断路器，只利用半导体器件作为主要开关元件进行电流切断，可发挥半导体器件的独特优势，具有开关速度快、损耗小等优点，且不用考虑机械开关开断电弧的问题，对于中低压直流微网和直流配电保护是较好的选择方案。
3.近几年，宽禁带半导体技术的研究和应用已较为广泛，sic作为宽禁带材料的代表，sic半导体器件在很多方面优于硅基半导体器件，例如sic半导体器件导通电阻低，导通损耗小；有高导热性，在静态和瞬态下可维持很高的结温，使得适合于在短路过程中能量爆发的固态断路器应用场合，驱动结温超过硅限值，可减少散热装置的使用，减小体积，且延长设备寿命；除此之外sic器件具有高的电子迁移率，开关速度快，是固态断路器中开关器件的有利选择。jfet是一种单极型电力电子器件，在硅材料器件中未受到太多关注，但在sic材料领域中，由于其独特的物理结构，在研究和应用方面都展现出其优异的器件品质，甚至在耐高温、低损耗等方面优于sic mosfet，在电路保护中也体现出它出色的性能。
4.目前已有许多学者对直流固态断路器抑制短路故障方案进行研究，有学者提出了一种以碳化硅静止感应晶体管(sic sit)为主开关的应用于400v直流场合的直流固态断路器及其栅极限流控制方法，但该断路器需要依赖复杂且昂贵的过电流感应电路、信号处理及数据通信功能，还需要独立的辅助电源给直流固态断路器的控制电子器件供电。有学者提出一种以常通型sic jfet器件为主开关的直流固态断路器，但jfet漏源极电压不会激活断路器驱动电路且断路器无保护动作，从而存在损坏jfet或其他敏感性电力电子装置的风险。以上方案大多是针对于单向故障w线路保护的直流断路器研究，但在直流线路中，直流断路器两端的线路都有故障发生的可能，通过直流断路器的电流是双向的。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术的缺点，而提出了一种基于sic jfet的双向直流固态断路器拓扑结构。
6.本发明提供了如下的技术方案：一种基于sic jfet的双向直流固态断路器拓扑结构，包括包括电压检测电路、压敏电阻（mov）、缓冲电路、碳化硅结型场效应晶体管（sic jfet）、栅极驱动电路和单片机控制电路，所述sic jfet连接电压检测电路；
所述电压检测电路，用于检测主电路中故障电流流经主开关sic jfet产生的漏源极压降，并将漏源极压降作为采样信号输入至单片机控制电路进行故障判断，包括电压检测电路1和电压检测电路2，所述电压检测电路1包括第一限值电阻r1、第二限值电阻r2、第一电容c1、第二电容c2以及源侧稳压二极管d1，所述电压检测电路2包括第三限值电阻r3、第四限值电阻r4、第三电容c3、第四电容c4以及负载侧稳压二极管d2；所述圧敏电阻，用于吸收多余能量，避免过压导致器件损坏；所述缓冲电路，用于产生阻尼、吸收电压尖峰的谐振能量，以及防止故障电流流经缓冲电路产生电压或电流尖峰损坏开关管；所述碳化硅结型场效应晶体管（sic jfet），用于检测源侧线路或负载侧发生的短路故障，以及及时进行双向电流切断；所述栅极驱动电路，用于为驱动电路提供电气隔离，缩短变压器储能时间，采用正反激电路；所述单片机控制电路，用于接收采样信号并根据采样信号进行数据分析，包括高速单片机。
7.优选的，所述电压检测电路1或所述电压检测电路2的工作过程如下所示：s1、电容c1与c2充电：首先通过输入电压v
ds
给采样电路电容c1、c2进行充电；s2、c1单独充电：c2的容量小于c1的容量，因此当c2充满后，电容c1继续充电，此时c2相当于断路且c1相当于短路，输入电压v
ds
通过r2和d1给c1充电，直至c1充满；s3、稳定输出：当电容c1充满后，电容c1和c2均结束暂态充电过程，均阻断直流电流，检测电路电流i3流过r1和d1维持v
c2
稳定输出。
8.优选的，所述sic jfet设有两组且共源极连接，并作为主要开关元件，两组所述sic jfet分别与所述电压检测电路1和电压检测电路2连接，所述sic jfet可选用常通型器件，包括体二极管。
9.优选的，所述体二极管与所述sic jfet的漏机-源极主沟道反向并联连接，可双向导通电流。
10.优选的，所述sic jfet具有三种工作模式：当漏源电流id为正，栅源电压v
gs
大于jfet的夹断电压v
pi
，所述sic jfet为正向导通模式；当漏源电流id为负，栅源电压v
gs
大于jfet的夹断电压v
pi
，所述sic jfet为反向导通模式ⅰ；当漏源电流id为负，栅源电压v
gs
小于jfet的夹断电压v
pi
，所述sic jfet为正向导通模式ⅱ。
11.优选的，所述单片机控制电路切除故障的方法，具体步骤如下：s1、单片机控制电路接收采样信号，并对漏源极压降进行判断，是否达到故障条件，若是，进入s2步骤；反之，重复运行s1步骤；s2、判断达到故障条件后，单片机控制电流产生pwm驱动信号，通过图腾柱将pwm驱动信号传输至mosfet的栅源极，并控制mosfet的栅源极导通关断；s3、当pwm驱动信号的第一个上升沿超过mosfet的栅极法制电压，mosfet第一次导通，此时判断pwm驱动信号的电平，当pwm驱动信号为高电平，进入s4步骤；反之，进入s5步
骤；s4、dc/dc变压器的原边电感l1开始充电，l1开始产生上正下负的电压，同时副边绕组上产生感应电压，副边第一电感l2上电压为上正下负，副边第二电感l3上电压为上负下正，根据二极管da和db的单向导通特性，使得仅正激回路中产生电流给电容cj充电，电容cj上开始产生上负下正的电压v
gs_j
，输出到主开关sic jfet的栅源极驱动其关断；s5、mosfet断开，l1停止充电，l3所在正激电路也停止工作，l2中存储的能量开始释放，所在反激电路开始工作，此反激电路电流用于维持电容cj上的电压，当下一个周期pwm信号高电平到来，进入s4步骤，直到故障切除。
12.优选的，所述断路器切除故障的时间与所述正反激电路中正激电路动作使v
gs_j
到达sic jfet关断电压的时间相关联。
13.优选的，所述缓冲电路采用rc吸收电路，包括电阻rh和电容ch，电阻rh作为功率器件，电容ch提供谐振能量通道，rc吸收可以进行单向电路吸收，rc吸收还可以双向或对称电路的吸收。
14.优选的，所述故障条件判断步骤如下所示：s1、直流系统发生故障时，采样信号传输至单片机的模数转换器（adc）的通道(pb6)中，通过连续转换模式的adc将采样信号转化为数字信号，并将数字信号与预设的短路阈值进行比较，若是数字信号的数值超过预设的短路阈值，则认为电路处于短路故障状态，启动定时器tim3，通过通道pd2发出一个一定周期的pwm驱动信号，使后续驱动电路动作断开主开关从而切断电压；反之，进入s2步骤；s2、将数字信号与预设的过载阈值进行比较，若是数字信号的数值超过预设的过载阈值，则认为电路处于过流故障状态，并延迟时间再次采样判断，若仍大于过载阈值，启动tim3发出pwm信号驱动断路器切断故障电流；反之，转至s1步骤。
15.优选的，所述双直流固态断路器在故障发生时的具体工作过程如下：1）当负载侧发生短路故障时，故障电流通过源侧高精度采样电阻rs1产生源侧采样电压v
rs1
，源侧采样电压v
rs1
通过第一限值电阻r1向第一电容c1和第二电容c2充电；c2的电压v
c2
可作为故障信号传输至控制电路产生pwm驱动信号，从而使驱动电路产生负栅极电压v
g1
关断源侧sic jfet q1；2）当源侧发生短路故障时，故障电流通过负载侧高精度采样电阻r
s2
产生负载侧采样电压v
rs2
，负载侧采样电压v
rs2
通过第三限值电阻r3向第三电容c3和第四电容c4充电；c4的电压v
c4
可作为故障信号传输至控制电路产生pwm驱动信号，从而使驱动电路产生负栅极电压v
g2
关断负载侧sic jfet q2；3）当源侧和负载侧同时发生短路故障时，两侧故障电流分别通过源侧高精度采样电阻r
s1
和负载侧高精度采样电阻r
s2
产生源侧采样电压v
rs1
和负载侧采样电压v
rs2
；源侧采样电压v
rs1
通过第一限值电阻r1向第一电容c1和第二电容c2充电；负载侧采样电压v
rs2
通过第三限值电阻r3向第三电容c3和第四电容c4充电；c2的电压v
c2
与c4的电压v
c4
分别作为故障信号传输至控制电路产生两侧sic jfet的pwm驱动信号，从而使驱动电路产生负栅极电压v
g1
与v
g2
分别关断源侧sic jfet q1与负载侧sic jfet q2。
16.本发明的有益效果是：1、可检测固态断路器两侧故障情况，当某一侧或者两侧均发生故障时，通过驱动
电路产生对应的负栅极电压进行关断，从而快速有效的清除短路故障；2、加入了双向rc缓冲电路，无论哪一端发生故障或者双端均发生故障的情况下，经器件切断后的故障电流都可流经rc缓冲电路，避免电压尖峰，加强对器件的保护；3、利用两组sic jfet共源极连接作为主要开关元件进行电流切断，并在内部加入体二极管，可双向导通电流，具备耐高压高温，功率密度大，开断速度快，导通损耗小、体积小等优势；4、采用正反激电路作为栅极驱动电路进行设计，可为驱动电路提供可靠的电气隔离，保证故障电流快速切除，并且能够极大缩短变压器的储能时间；5、采用单片机控制电路，具有需求功能简单、处理速度快、时效性强、可进行实施调试等优点。
附图说明
17.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：图1是本发明一种基于sic jfet的双向直流固态断路器拓扑结构的电气原理图；图2是本发明一种基于sic jfet的双向直流固态断路器拓扑结构的电压检测电路第一阶段的工作原理图；图3是本发明一种基于sic jfet的双向直流固态断路器拓扑结构的电压检测电路第二阶段的工作原理图；图4是本发明一种基于sic jfet的双向直流固态断路器拓扑结构的电压检测电路第三阶段的工作原理图；图5是本发明一种基于sic jfet的双向直流固态断路器拓扑结构的mov和缓冲电路的电气原理图；图6是本发明一种基于sic jfet的双向直流固态断路器拓扑结构的sic jfet工作模式图；图7是本发明一种基于sic jfet的双向直流固态断路器拓扑结构的dc/dc正反激电路的电气原理图；图8是本发明基于sic jfet的双向直流固态断路器拓扑结构的单片机工作流程图；其中，dc为直流母线电压电源、r为电阻负载，r
s1
和r
s2
分别为源侧高精度采样电阻和负载侧高精度采样电阻；r1、r2、r3、r4分别为电压检测电路中的第一限值电阻、第二限值电阻、第三限值电阻和第四限值电阻，c1、c2、c3、c4分别为电压检测电路中的第一电容、第二电容、第三电容和第四电容，d1、d2分别为源侧稳压二极管及负载侧稳压二极管；v
ds
为漏极-源极电压，v
c2
为第二电容的电压，i1、i2、i3分别为电压检测电路工作过程中第一阶段、第二阶段、第三阶段的充电电流；mov为压敏电阻，rh、ch为缓冲电路中的电阻和电容；q1、q2为源侧碳化硅结型场效应晶体管（sic jfet）和负载侧碳化硅结型场效应晶体管（sic jfet）；id为漏源电流，v
gs
为栅极-源极电压，v
pi
为jfet的夹断电压；v
in
为输入电压，l1为原边电感，l2、l3为副边第一电感和副边第二电感，da、db为副边第一二极管、第二二极管，rb、rj为副边第一电阻、副边第二电阻，cj为副边电容，v
gs_j
为cj所产生的上负下正的电压，p1、p2为正激回路、
反激回路。
具体实施方式
18.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
19.根据图1所示，一种基于sic jfet的双向直流固态断路器拓扑结构包括电压检测电路、压敏电阻（mov）、缓冲电路、碳化硅结型场效应晶体管（sic jfet）、栅极驱动电路和单片机控制电路，所述sic jfet连接电压检测电路。
20.所述电压检测电路，用于检测主电路中故障电流流经主开关sic jfet产生的漏源极压降，并将漏源极压降作为采样信号输入至单片机控制电路进行故障判断，包括电压检测电路1和电压检测电路2，所述电压检测电路1包括第一限值电阻r1、第二限值电阻r2、第一电容c1、第二电容c2以及源侧稳压二极管d1，所述电压检测电路2包括第三限值电阻r3、第四限值电阻r4、第三电容c3、第四电容c4以及负载侧稳压二极管d2。
21.所述圧敏电阻，用于吸收多余能量，避免过压导致器件损坏。
22.所述缓冲电路，用于产生阻尼、吸收电压尖峰的谐振能量，以及防止故障电流流经缓冲电路产生电压或电流尖峰损坏开关管。
23.所述碳化硅结型场效应晶体管（sic jfet），用于检测源侧线路或负载侧发生的短路故障，以及及时进行双向电流切断。
24.所述栅极驱动电路，用于为驱动电路提供电气隔离，缩短变压器储能时间，采用正反激电路。
25.所述单片机控制电路，用于接收采样信号并根据采样信号进行数据分析，包括高速单片机。
26.根据图2-图4所示，所述电压检测电路1或所述电压检测电路2的工作过程如下所示：s1、电容c1与c2充电：首先通过输入电压v
ds
给采样电路电容c1、c2进行充电；s2、c1单独充电：c2的容量小于c1的容量，因此当c2充满后，电容c1继续充电，此时c2相当于断路且c1相当于短路，输入电压v
ds
通过r2和d1给c1充电，直至c1充满；s3、稳定输出：当电容c1充满后，电容c1和c2均结束暂态充电过程，均阻断直流电流，检测电路电流i3流过r1和d1维持v
c2
稳定输出。
27.其中，由于电容的未充满只流通直流电且充满状态下阻隔直流电的特性，在s1步骤下c1与c2相当于短路，而回路中充电电流入图2中i1所示。
28.当c2充满后c1单独充电时，回路中的充电电流入图3中i2所示。
29.根据图5所示，所述缓冲电路采用rc吸收电路，包括电阻rh和电容ch，电阻rh作为功率器件，电容ch提供谐振能量通道，rc吸收可以进行单向电路吸收，rc吸收还可以双向或对称电路的吸收。
30.其中，电容ch提供谐振能量通道，ch的大小决定吸收程度，最终目的是使rh完成功率吸收。当电路中某一个开关管断开后，故障电流流经缓冲电路，此时缓冲电路中电阻rh和电容ch根据在产生阻尼的同时将故障电流或故障电流产生的电压尖峰的谐振能量进行吸收，避免了电路中其余开关管收到故障电流或故障电流产生的电压尖峰的损坏。
31.当故障电流产生的电压超过压敏电阻（mov）阈值电压时，电流被单片机控制电路控制转移到mov吸收支路，进行能量的吸收，以起到压敏电阻（mov）的保护。
32.根据图6所示，体二极管与sic jfet的漏机-源极主沟道反向并联连接，可双向导通电流。所述sic jfet具有三种工作模式：当漏源电流id为正，栅源电压v
gs
大于jfet的夹断电压v
pi
，所述sic jfet为正向导通模式；当漏源电流id为负，栅源电压v
gs
大于jfet的夹断电压v
pi
，所述sic jfet为反向导通模式ⅰ；当漏源电流id为负，栅源电压v
gs
小于jfet的夹断电压v
pi
，所述sic jfet为正向导通模式ⅱ。
33.根据图7所示，所述单片机控制电路切除故障的方法，具体步骤如下：s1、单片机控制电路接收采样信号，并对漏源极压降进行判断，是否达到故障条件，若是，进入s2步骤；反之，重复运行s1步骤；s2、判断达到故障条件后，单片机控制电流产生pwm驱动信号，通过图腾柱将pwm驱动信号传输至mosfet的栅源极，并控制mosfet的栅源极导通关断；s3、当pwm驱动信号的第一个上升沿超过mosfet的栅极法制电压，mosfet第一次导通，此时判断pwm驱动信号的电平，当pwm驱动信号为高电平，进入s4步骤；反之，进入s5步骤；s4、dc/dc变压器的原边电感l1开始充电，l1开始产生上正下负的电压，同时副边绕组上产生感应电压，副边第一电感l2上电压为上正下负，副边第二电感l3上电压为上负下正，根据二极管da和db的单向导通特性，使得仅正激回路中产生电流给电容cj充电，电容cj上开始产生上负下正的电压v
gs_j
，输出到主开关sic jfet的栅源极驱动其关断；s5、mosfet断开，l1停止充电，l3所在正激电路也停止工作，l2中存储的能量开始释放，所在反激电路开始工作，此反激电路电流用于维持电容cj上的电压，当下一个周期pwm信号高电平到来，进入s4步骤，直到故障切除。
34.所述断路器切除故障的时间与所述正反激电路中正激电路动作使v
gs_j
到达sic jfet关断电压的时间相关联。
35.根据图8所示，所述故障条件判断步骤如下所示：s1、直流系统发生故障时，采样信号传输至单片机的模数转换器（adc）的通道(pb6)中，通过连续转换模式的adc将采样信号转化为数字信号，并将数字信号与预设的短路阈值进行比较，若是数字信号的数值超过预设的短路阈值，则认为电路处于短路故障状态，启动定时器tim3，通过通道pd2发出一个一定周期的pwm驱动信号，使后续驱动电路动作断开主开关从而切断电压；反之，进入s2步骤；s2、将数字信号与预设的过载阈值进行比较，若是数字信号的数值超过预设的过载阈值，则认为电路处于过流故障状态，并延迟时间再次采样判断，若仍大于过载阈值，启动tim3发出pwm信号驱动断路器切断故障电流；反之，转至s1步骤。
36.工作原理：当负载侧发生短路故障时，故障电流通过源侧高精度采样电阻rs1产生源侧采样电压v
rs1
，该电压通过第一限值电阻r1向第一电容c1和第二电容c2充电，c1可以加速采样电
压v
rs1
向c2充电的进程；源侧稳压二极管d1发挥钳位作用，防止过电压损坏器件；c2的电压v
c2
可作为故障信号传输至控制电路产生pwm驱动信号，从而使驱动电路产生负栅极电压v
g1
关断源侧sic jfet q1；当源侧发生短路故障时，故障电流通过负载侧高精度采样电阻r
s2
产生负载侧采样电压v
rs2
，该电压通过第三限值电阻r3向第三电容c3和第四电容c4充电，c3可以加速采样电压v
rs2
向c4充电的进程；负载侧稳压二极管d2发挥钳位作用，防止过电压损坏器件；c4的电压v
c4
可作为故障信号传输至控制电路产生pwm驱动信号，从而使驱动电路产生负栅极电压vg2关断负载侧sic jfet q2；当源侧和负载侧同时发生短路故障时，两侧故障电流分别通过源侧高精度采样电阻r
s1
和负载侧高精度采样电阻r
s2
产生源侧采样电压v
rs1
和负载侧采样电压v
rs2
；源侧采样电压v
rs1
通过第一限值电阻r1向第一电容c1和第二电容c2充电，c1可以加速采样电压v
rs1
向c2充电的进程；负载侧采样电压v
rs2
通过第三限值电阻r3向第三电容c3和第四电容c4充电，c3可以加速采样电压v
rs2
向c4充电的进程；稳压二极管d1、d2均发挥钳位作用，防止过电压损坏器件；c2的电压v
c2
与c4的电压v
c4
分别作为故障信号传输至控制电路产生两侧sic jfet的pwm驱动信号，从而使驱动电路产生负栅极电压v
g1
与v
g2
分别关断源侧sic jfet q1与负载侧sic jfet q2。
37.本发明利用两组sic jfet共源极连接作为主要开关元件进行电流切断，并在内部加入体二极管，可双向导通电流，并检测直流固态断路器两侧的故障情况，当某一侧或者两侧均发生故障时，通过驱动电路产生对应的负栅极电压对相应的sic jfet进行关断，具备耐高压高温，功率密度大，开断速度快，导通损耗小、体积小等优势，同时可有效减少散热装置的使用，能够快速有效的清除短路故障。
38.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。