全固態(tài)高壓直流斷路器的設計.pdf

1、高壓直流斷路器（HVDC breaker，high voltage direct current breaker）是在高壓直流電路發(fā)生過載或者短路時及時將直流電路斷開，電路故障消除后將電路重新復位的電力保護電路。高壓直流斷路器主要用在高壓直流輸電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)中，保證直流電路系統(tǒng)的安全可靠運行。近年來，一方面，隨著可再生能源的開發(fā)，為了減小輸送過程中電能的損耗，在遠距離輸電過程中越來越多的采用直流輸電技術(shù)；另一方面，隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)

2、展，個人和企業(yè)對電能質(zhì)量的要求不斷提高，在電能的分配過程中采用直流配電是提高電能質(zhì)量的一個重要方式和發(fā)展方向。高壓直流斷路器作為保障直流輸電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的關鍵性部件，人們越來越重視直流斷路器的研發(fā)，成為當前電力電子領域的一大研究熱點。隨著半導體工藝的不斷進步，SiC功率器件越來越成熟。相對于傳統(tǒng) S i功率器件，SiC功率MOSFET具有耐高壓、高溫、高開關速度以及低導通阻抗等一系列優(yōu)點，使得SiC功率MOSFET作為電力

3、電子開關元件應用越來越廣泛；同時和新型Si材料 IGBT相比較，SiC功率MOSFET開關速度更快，溫度的變化對器件性能的影響更小。通過分析可知，SiC功率MOSFET滿足全固態(tài)高壓直流斷路器對全控型電力電子開關元件的要求。
　　本文的主要工作是基于SiC功率MOSFET開關元件，設計并制作了全固態(tài)高壓直流斷路器。論文首先介紹了直流斷路器的應用背景和現(xiàn)狀；然后著重分析了直流斷路器的工作原理以及SiC功率MOSFET的優(yōu)勢和電路特性

4、；然后根據(jù)直流斷路器電路功能，將電路主要分為四個功能模塊電路，并使用一個負載電路用于模擬短路故障。四個功能電路模塊根據(jù)負載電路電流的變化，產(chǎn)生相應的控制信號控制直流斷路器的關斷或者復位；其中電流檢測電路檢測負載電路電流的變化，電平鎖定電路鎖定產(chǎn)生的控制信號，柵極驅(qū)動電路實現(xiàn)柵源電壓的升壓和虛地，復位檢測電路避免電路的誤開啟；然后在四個功能電路模塊的基礎上設計出具有SiC功率MOSFET驅(qū)動電路的全固態(tài)高壓直流斷路器電路；最后根據(jù)設計的電

5、路圖，制作出直流斷路器樣機。設計的高壓直流斷路器電路采用OrCAD仿真軟件進行設計，并進行了仿真驗證，仿真結(jié)果表明該直流斷路器電路實現(xiàn)了功率為12KW的負載電路的關斷和復位，柵極驅(qū)動電路待機功耗為0，同時直流斷路器實現(xiàn)了控制信號的鎖定、柵源電壓的升壓和虛地，避免了直流斷路器的誤開啟操作；最后對直流斷路器樣機進行了相應的測試，測試結(jié)果表明直流斷路器實現(xiàn)了對負載電路的電力保護，功能和仿真結(jié)果相一致，樣機的反應時間約為30μs。設計的直流斷路