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；另一方面，隨著科學技術的飛速發(fā)

2、展，個人和企業(yè)對電能質量的要求不斷提高，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負載電路電流的變化，產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生的控制信號，柵極驅動電路實現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驅動電路的全固態(tài)高壓直流斷路器電路；最后根據設計的電

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，仿真結果表明該直流斷路器電路實現了功率為12KW的負載電路的關斷和復位，柵極驅動電路待機功耗為0，同時直流斷路器實現了控制信號的鎖定、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，測試結果表明直流斷路器實現了對負載電路的電力保護，功能和仿真結果相一致，樣機的反應時間約為30μs。設計的直流斷路