[发明专利]一种基于阴极短路栅控晶闸管的直流固态断路器

说明书

本发明属于电子技术领域，具体的说涉及一种基于阴极短路栅控晶闸管的直流固态断路器。本发明主要包括由第一直流电源(V₁)和负载(Z_L)和第一CS‑MCT(T₁)构成的主回路、由第一二极管(D₁)、第二CS‑MCT(T₂)和第三CS‑MCT(T₃)，第一电阻(R₁)和第二电阻(R₂)，换流电容(C)，电感(L)，第三电阻(R)构成的换流回路、由霍尔电流传感器和电压比较器构成的监测单元和栅极控制单元。其特点是：采用具有低导通电阻、高di/dt能力的CS‑MCT作为半导体开关，结合监测单元和栅极控制单元可以实现故障电流的迅速中断。与传统固态断路器相比，基于CS‑MCT的固态短路器具有功耗低，响应速度快的优势。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体的说涉及一种基于阴极短路栅控晶闸管(Cathode-Short MOS-Controlled Thyristor，简称：CS-MCT)的高效直流固态断路器。

背景技术

随着经济社会的快速发展，各类能源的需求不断得增大。其中，电能被当作现今信息化时代的“血液”，推动着经济与科技水平的进步。同时，用户对电力系统提出了很多新的要求:环境友好性、安全可靠性的提升、更加优质经济且支持用户进行与电网的双向互动等等。目前，基于光伏、风、电为代表的可再生清洁能源因较小的环境代价而备受瞩目。为了更加充分和灵活的利用上述清洁能源以满足负荷增长需求、减少环境污染、提高能源综合利用效率等，直流输(配)电网络应运而生且迅速发展。与传统交流输(配)电相比:采用直流输(配)电网络不仅可将可再生能源与传统能源广域互联,充分提高可再生能源的利用率,而且可降低线路损耗,增加传输容量与传输距离,同时解决系统同步运行的稳定性问题。

然而，由于直流输(配)电网络的系统阻抗小，一旦发生故障短路，电流上升快、峰值高，极容易对系统的安全性造成破坏。同时，和传统交流输(配)电相比，直流输(配)电网络缺乏电压过零点，导致短路故障难以被有效消除。上述情况均对直流断路器的各项性能提出较高的要求。传统的机械式断路器(Mechanical Circuit Breaker,MCB)在故障中断的过程会产生电弧，导致接触头出现烧蚀现象，影响其工作寿命；同时，MCB相应时间较长，难以满足直流应用下的速度要求。随着半导体行业的发展，基于功率半导体器件的固态断路器(Solid State Circuit Breaker，SSCB)由于具有较短的响应时间、更长的寿命和便于智能化的监控等优势而备受关注。

然而，与MCB相比，SSCB主要的缺点就是功耗较大。由于SSCB的功耗主要来自于功率器件的导通功耗。目前主流的SSCB主要是以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为开关器件，但是IGBT导通时候由于发射极侧反偏PN结的存在，导通压降较大。此外，具有低导通压降的晶闸管(SCR)也被用于SSCB应用中。但是由于晶闸管属于流控型器件，其驱动和保护的设计较为复杂。基于SiC、GaN的宽禁带半导体器件具有低导通功耗，但是其应用受到了器件可靠性和成本的限制。

发明内容

本发明所要解决的，就是针对上述问题，提出一种基于阴极短路栅控晶闸管(CS-MCT)的高效直流固态断路器。由于CS-MCT内部存在阴极短路的晶闸管结构，使得CS-MCT具有较小的导通压降。本发明就是利用驱动简单、导通功耗低、可靠性高的硅基功率器件，并匹配以结构简单的断路器拓扑与驱动策略，实现了一种功耗低、响应速度快、成本低、体积小的直流固态断路器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：