[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。本发明包括由直流电源Vsubgt;D/subgt;、第一CS‑MCT(Tsubgt;1/subgt;)、负载(Zsubgt;L/subgt;)构成的主回路、由第二CS‑MCT(Tsubgt;2/subgt;)，第一电容(Csubgt;1/subgt;)和第二电容(Csubgt;2/subgt;)，变压器(T)，电阻(R)，二极管(D)构成的换流回路、由压敏电阻(MOV)构成的保护单元、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：采用内部固有寄生晶闸管，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的固态短路器不仅具有中断故障电流的能力，而且具有功耗低，响应速度快的优势。

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体而言为一种基于阴极短路栅控晶闸管(Cathode-Short MOS-Controlled Thyristor，简称：CS-MCT)的直流固态断路器。

背景技术

近年来随着经济和技术的发展，分布式微电网以及直流数据中心等新兴领域发展迅速，相应的，直流输(配)电网络也愈发受到重视。相较于传统交流输(配)电网络，其不仅能量效率高而且可靠性更好，但由于直流输(配)电网络系统阻抗小，一旦发生短路故障，其故障电流会急剧上升，易对整个系统造成不可逆的损害。同时，相较于传统交流输(配)电网络，直流输(配)电网络没有电压过零点，这对直流断路器提出了更高的要求。传统的机械式断路器(Mechanical Circuit Breaker,MCB)在中断故障的过程中的脱扣动作会产生电弧，导致接触电极被烧蚀，工作寿命较短；同时，MCB响应时间较长，一般为几十到几百毫秒，难以满足直流应用下的故障中断速度要求；另外，MCB在一次保护动作完成后需要人工对其进行复位操作，不仅不利于运营成本控制，而且使得输(配)电网络的智能化管理难以实现。因此，基于功率半导体器件的固态断路器(Solid State Circuit Breaker，SSCB)以其较短的故障响应时间、更长的使用寿命及易于智能控制的优点而备受瞩目。

虽然SSCB有上述优点，但相较于MCB，SSCB由于其导通压降较大，能量损耗大于MCB。现如今市场主流SSCB大多是以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为开关器件，但由于IGBT在导通时发射极侧存在反偏PN结，导通压降较大。另外，市场上也有部分SSCB以低导通压降的晶闸管(SCR)作为开关器件。但出于晶闸管是流控型器件的原因，其驱动和保护电路的设计复杂而且经济性较差。近年来，以SiC和GaN为代表的宽禁带功率半导体器件因其本身的优良性能而被作为SSCB应用的良好选择，但出于技术成熟度及经济性上的考量，在未来一段时间硅基功率器件仍然会是SSCB应用的主流选择。

上述因素均制约了直流输(配)电网络的发展。

发明内容

本发明旨在提出一种基于阴极短路栅控晶闸管(CS-MCT)的直流固态断路器，以解决上述问题。CS-MCT因其固有的的阴极短路晶闸管结构，而拥有较低的导通压降，使以其为核心开发的SSCB功耗较低。本发明利用驱动简单、导通功耗低、可靠性高、经济性好的硅基压控功率器件，并配以结构简单的断路器拓扑与驱动策略，实现了一种小体积、低功耗、低成本、快速响应的直流固态断路器。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种基于CS-MCT的直流固态断路器，断路器的拓扑结构如图1；包括直流电源V_D、第一CS-MCTT₁、负载Z_L、第二CS-MCTT₂、第一电容C₁、第二电容C₂、变压器T、电阻R、二极管D、压敏电阻MOV、霍尔电流传感器和电压比较器；