[发明专利]一种基于第三代半导体的断路器及其控制方法

说明书

本发明提供了一种基于第三代半导体的断路器及其控制方法，包括主回路输入端、主回路输出端和集成逻辑控制电路；所述主回路输入端与主回路输出端之间串联有电流互感器TA1和第三代半导体开关VS的第一串联支路；所述第一串联支路并联有第二串联支路，所述第二串联支路包括串联的电流互感器TA2和低压大电流接触器KM；电流互感器TA1和电流互感器TA2向集成逻辑控制电路输入电流检测信号，集成逻辑控制电路向第三代半导体开关VS与低压大电流接触器KM输出分闸、合闸控制信号。本发明将第三代半导体开关与低电压大电流接触器相结合，利用第三代半导体开关在不产生电弧的情况下，能够接通或断开高压电路，其通态电阻低，合闸和分闸时不因放电产生高温。

技术领域

本发明涉及高压输配电技术领域，具体涉及一种能够关合、承载和开断正常回路电流，并能在规定的时间内关合、承载和开断异常回路电流的断路器。

背景技术

半导体开关是利用功率半导体(金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、绝缘栅双极型晶体管IGBT等)的开关特性，制成的无触点的开关器件，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的。

半导体开关优缺点如下：

优点：

1、无触点无火花地接通和断开电路；

2、开关时间短，约为10ms，可应用在频率较高的场合；

3、结构上采用了灌注全密封方式，因此，具有耐振、耐腐蚀、长寿命及高可靠等优点；

4、灵敏度高，控制功率小，电磁兼容性好。

缺点：

1、导通后压降大，导通电阻也较机械触点的接触电阻大；

2、关断后仍可有数微安至数毫安的漏电流，因此不能实现理想的电隔离；

3、导通后的功耗和发热量也大，大功率固态继电器的体积远远大于同容量的电磁继电器，成本也较高；

4、温度特性和电子线路的抗干扰能力较差，耐辐射能力也较差，如不采取有效措施，则工作可靠性低；

5、对过载有较大的敏感性，必须用快速熔断器或RC阻尼电路对其进行过载保护。负载与环境温度明显有关，温度升高，负载能力将迅速下降；

采用第一代半导体材料的半导体开关，由于阻断电压低和通态电阻高，所以只适用电压小于600V及电流小于100A的场景。限制了其在高压(3kV以上)、大电流(1000A以上)条件下的应用。

第三代半导体(以SiC和GaN为主)又称宽禁带半导体，禁带宽度在2.2eV以上，与第一代、第二代半导体材料相比，具有高击穿电场、高饱和电子速度、高热导率、高电子密度、高迁移率等特点，更适合于制作高压、高温、高频、抗辐射及大功率器件。美国普渡大学已经采用横向器件结构制造出了横向金氧半场效晶体管DMOSFET，采用这种结构已经制造出了阻断电压高达2.6kv的横向金氧半场效晶体管LDMOSFET。然而目前的LDMOSFET的特征通态电阻还比较高，约为几十mΩ。导通电阻高意味着电流通过时发热量大，以通态电阻40mΩ、导通电流1000A计算，热功率达到40kw。目前在高压、大电流条件下使用的“真空断路器”的通态电阻仅为几十μΩ，相差3个数量级。可见通态电阻高是制约半导体开关在高压、大电流条件下应用的主要因素。

因此，如何提供一种能够克服半导体开关通态电阻高的断路器及其控制方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于第三代半导体的断路器及其控制方法，将第三代半导体开关与低电压大电流接触器相结合，利用第三代半导体开关在不产生电弧的情况下，能够接通或断开高压电路，其通态电阻低，合闸和分闸时不因放电产生高温。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：