[实用新型]一种GaN大电流自供电直流固态断路器及直流电源系统

说明书

本实用新型公开了一种GaN大电流自供电直流固态断路器及直流电源系统，属于直流电源供电和配电领域。具体由主开关S和反激变换器C构成，主开关S是由若干个性能参数一致的宽禁带半导体材料氮化镓制作的固体开关S₁、S₂、……、S_n并联构成，并且都是常通型结构，反激变换器C是具有宽输入电压范围的自激式结构，依靠故障电路的大电流在主开关两端产生的电压来激励工作，并输出稳定的电压驱动并联的半导体固体开关同步动作，断开负载和直流电源，达到保护负载和电源的目的，而且断路器在传递正常电流和断开负载的过程无需外电源供电。

技术领域

本实用新型涉及直流电源供电和配电领域，更具体地说，涉及一种GaN大电流自供电直流固态断路器及直流电源系统。

背景技术

最近，光伏发电、储能电池、燃料电池和其它的分布式发电等直流电源吸引了越来越多的注意，在工业、商业和居民区环境，IT设备、LED路灯和可调速电机驱动等依靠直流电源供电的电子负载的数量成倍增加，在舰艇、飞机、通信系统、电动汽车充电站和数据中心，直流电源在减少AC/DC转换环节、降低成本、提高效率和可靠性等方面变得越来越有吸引力。然而，短路保护仍旧是直流电源系统应用中的一个关键技术障碍，传统的塑壳式机械断路器具有可靠性高、开断能力强、通态损耗小等优点，但也有动作速度慢、动作一致性差，且在动作过程中常有电弧产生、易损毁触头、使用寿命短等缺点。基于半导体材料硅的固态断路器，利用现代大功率电力电子技术，在动作速度上具有较大的优势，这些断路器依靠电流传感器探测短路故障产生的过电流，控制单元处理过电流信号来决定是否关断主开关，但具有容量有限、过载能力差、正常工作时损耗大、不能完全开断隔离电路等缺点。混合直流断路器继承了机械断路器通态损耗低以及固态断路器开断迅速的特点，成为目前断路器研究的主要方向。

随着宽禁带半导体器件技术的进步，基于半导体材料碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)的断路器引起了人们的注意。SiC单极器件，像静电感应晶体管(SIT)、结型场效应晶体管(JFET)和金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)等具有非常宽的安全工作区，在静态和瞬态条件下，相比Si器件而言，宽禁带半导体材料制备的器件具有更低的通态电阻、更高的热导率，并能承受更高的工作结温。美国专利US2015/0280417A1提出了一种自供电的直流固态断路器，由常通型宽禁带半导体材料制备的固体开关、DC/DC变换器、若干电阻、二极管、避雷器、电容器等构成，依靠半导体固体开关、DC/DC变换器和二极管的配置结构和形式，断流器能工作在单向、双向等两种直流电源形式。该专利是依靠和半导体固体开关并联的第一电阻和第二电阻提取故障信号，并且是单个半导体固体开关传递电流，在半导体固体开关关断后回路的能量依靠避雷器耗散，因而容量难以做大。

实用新型内容

1.要解决的技术问题

针对现有采用半导体固体开关作为主开关的直流断流器存在容量有限、配置结构复杂、成本高等缺点，提出一种GaN大电流自供电直流固态断路器及直流电源系统。该结构不但能够大幅度提高断路器的容量，而且能简化断路器的结构，提高断路器的可靠性。

2.技术方案

本实用新型的目的通过以下技术方案实现。

一种GaN大电流自供电直流固态断路器，包括，主开关和反激变换器，主开关和反激变换器并联，主开关由若干宽禁带GaN半导体固体开关并联构成。正常状态下主开关在直流电源和负载之间，起到传递电流的功能，故障状态下反激变换器工作驱使主开关断开直流电源和负载，起到保护电源和负载的功能。

优选地，主开关和反激变换器的连接关系如下，