摘要:
随着直流微电网的发展,直流断路器作为其主要保护装置而受到高度关注。结合第三代宽禁带半导体器件的优势,提出了一种新型低压直流碳化硅(SiliconCarbide,SiC)固态断路器(Solid-StateCircuitBreaker,SSCB)拓扑,该SSCB主开关采用常通型SiC JFET器件,用于切断主电路中的故障电流。辅助旁路由SiC MOSFET器件、RC缓冲电路 和压敏电阻(MOV)组成,用于辅助泄放回路中的过电流来提高直流系统的安全性与稳定性。首先介绍了该SSCB的拓 扑结构,其次根据低压直流系统在短路故障、冲击电流和过流故障时不同的故障特性,分析了该SSCB在不同故障条件下工作原理及保护控制方法,最后通过ORCAD/Pspice仿真模型,验证了所提SSCB设计方法的可行性。
1、概述
随着风电、光伏等分布式能源的快速发展,直流微电网作为分布式能源和直流负荷的接入形式发挥着重要的作用。相比于传统交流微电网,直流微电网在输送容量、可控性及提高电能质量方面有更大的优势。然而,由于直流线路阻尼小,系统故障时其故障电流幅值更大、上升速率更快,对直流断路器在开关速度、耐压水平、开断容量等方面有更高的要求。
传统机械式断路器开关速度慢且需利用电流自然过零点来切断故障电流,不能满足直流保护的速动性需求,而采用半导体器件作为主开关的全固态断路器在开关速度上具有绝对的优势。随着第三代半导体器件的成功问世,以碳化硅材料为代表的宽禁带半导体器件因其高工作电压、低损耗、快动作速度和化学性质稳定等优点,在直流固态断路器领域有较好的应用前景。
受半导体功率器件制作工艺限制,目前商用碳化硅器件额定电压以1.2kV为主。在没有配置保护电路的情况下,故障瞬态电流在SSCB分断期间产生的冲击过电压可能会造成半导体器件的永久性损坏。SSCB的典型电压保护电路是通过在半导体器件两端并联RC、RCD等无源缓冲元件来限制电压的上升速率dv/dt,该电路结构简单且具有较强的鲁棒性,但其抑制过电压能力有限且会使SSCB开关速度降低。从电气指标角度比较了几种无源缓冲电路的性能优劣,同时提出了MOV与RCD缓冲电路的混合电路更利于开关器件的保护,但SSCB关断期间线路电感仍会通过MOV的泄漏电流对故障点输送功率,不利于系统的安全性。为此,提出的SSCB拓扑将缓冲支路和MOV置于旁路,避免了系统故障 下MOV泄漏电流对故障点的影响,但设计的SSCB无法区分故障类型且控制较为繁琐。上述研究表明,保护电路对SSCB的安全稳定运行至关重要,常见RC、RCD保护电路在功能及性能方面仍有一定的提升空间。压敏电阻MOV可有效钳位开关过电压,但在SSCB保护动作时其泄漏电流会对故障点产生影响。为此,基于前期研究,本文从SSCB的功能性与可靠性角度入手,设计了一种新型低压直流碳化硅固态断路器拓扑,提出了该SSCB的操作及控制保护方法。本文主要贡献如下。
(1)将传统并联于SSCB开关器件的缓冲与吸能支路置于旁路,有效避免了MOV泄漏电流持续向故障点传输功率,提高故障点及负荷安全性。
(2)系统正常运行时主线路开关一直处于导通状态,故选用常通型SiC JFET作为SSCB主开关器件可避免其控 制电路因长时间工作导致寿命缩短甚至误操作,提高了SSCB的可靠性。
(3)为了区分故障类型,避免因容性负载启动产生的短时冲击电流造成SSCB误跳闸,采用限流保护控制策略,提高了SSCB的安全性。
本文首先简单介绍了设计的低压直流碳化硅固态断路器拓扑结构及各组成部分的功能。其次,根据系统不同故障情况下的电流变化情况,详细介绍了该SSCB在各故障情况下的工作原理及保护控制方法。最后,利用ORCAD/ Pspice软件搭建了不同故障情况下SSCB的仿真模型,验证了所提SSCB在过电流和短路故障保护动作方面的可行性与有效性。
2、低压直流碳化硅固态断路器拓扑结构
SSCB简化拓扑结构如图1所示,电流和电压采样部分持续采样主开关SiC JFET漏极电流Ids-SJ及负荷侧电压Vc,并通过微处理器处理采样电流、电压信号后判断直流系统运行状态。再根据不同的故障类型,控制驱动芯片发出相应的驱动信号,实现直流故障隔离与过电流泄放。以下将描述所提SSCB主要组成模块的功能。
(1)栅极驱动电源:由直流母线接入,通过DC/DC变换器接至栅极驱动元件的电源接口,无需配置额外辅助电源。
(2)霍尔电流传感器:根据霍尔磁平衡原理,流经导线电流与霍尔元件输出电压呈线性关系,在SSCB中用于采样线路电流值。
(3)霍尔电压互感器:原理同电流传感器类似,在SSCB中用于采样负载侧电压及电压恢复情况,有利于判断故障类型,防止误跳闸并提高SSCB可靠性。
(4)微处理器:为了提高信号的处理速度并控制成本,选择单片机STM8S105作为SSCB的微处理器单元。通过处理采样信号判断直流系统的运行状态,并为SSCB驱动芯片提供控制信号。
(5)辅助旁路:在近电源侧并联由开关SiC MOSFET、Rs、Cs和MOV组成的辅助泄能支路,用于泄放短路及过流故障下的持续过电流,避免关断过程中瞬时过电流在主开关SiC JFET产生较高瞬时过电压,泄放故障电流同时避免了对故障点输送大瞬时功率,提高SSCB可靠性。
3、低压直流碳化硅固态断路器工作原理及保护控制方法
直流系统的三种过流情况如图2所示,直流系统在不同的运行状态下,电流特性不尽相同。为了更好区分故障类型、可靠切除故障、防止SSCB误跳闸,需根据不同的电流情况判断直流系统运行状态,并设置所对应的控制保护原则。本文所提SSCB的保护方法如图3所示。
3.1短路故障
SSCB在短路故障下的理想电气量波形如图4所示,检测到主开关SiC JFET漏极 电流Ids-SJ极速上升且满足Ids-SJ≥4×Irated时,则判定系统发生短路故障。考虑短路故障严重性,SSCB需马上切断主开关SiC JFET漏极电流Ids-SJ,同时打开辅助旁路开关SiC MOSFET以泄放线路过电流,保护SSCB及故障点安全。
第一阶段[0~t0]:该阶段系统正常运行(Ids-SJ=Iline),主开关SiC JFET保持导通状态(Vgs-SJ=0V)。辅助旁路不工作(Ids-SM=0A),旁路开关SiC MOSFET维持关断(Vgs-SJ=0V)。
第二阶段[t0~t1]:t0时刻,系统发生短路故障。线路电流Iline迅速上升,在t1时刻达到4倍额定电流(SSCB短路保护动作电流值)。
第三阶段[t1~t2]:t1时刻,栅极驱动器驱动主开关SiC JFET关断(Vgs-SJ=-15V),随着主开关SiC JFET的关断,其漏源电压Vds-SJ将迅速增加。同时,驱动旁路开 关SiC MOSFET导通(Vgs-SM=15V),线路短路电流通过辅助旁路泄放至线路负极。同时,通过设置MOV的嵌位电压将Cs电压限制于VBUS。
第四阶段[t2~t3]:t2时刻,主开关SiC JFET完成关断,线路过电流通过辅助旁路泄放殆尽。同时,线路电感能量在该阶段通过二极管D完成释放。当电感电流释放至正常水平后,t3时刻驱动关断旁路开关SiC MOSFET,完成短路故障下的SSCB切断和过电流泄放。
3.2过流故障
SSCB在过流故障下的理想电气量波形如图5所示,检测到主开关SiC
JFET漏极电流Ids-SJ满足2.5×Irated
第一阶段[0~t0]:该阶段系统正常运行(Ids-SJ=Iline)。主开关SiCJFET保持导通状态(Vgs-SJ=0V)。辅助旁路不工作(Ids-SM=0A),旁路开关SiC MOSFET维持关断(Vgs-SM=0V)。
第二阶段[t0~t1]:t0时刻系统发生过流故障,故障电流Iline快速上升,但上升速率小于短路故障电流。
第三阶段[t1~t2]:t1时刻线路电流Iline达到2.5×Irated。为了避免短时过电流引起SSCB误跳闸,栅极驱动器产生PWM信号控制主开关SiCJFET快速通断以限制过电流增长速度。辅助旁路不工作(Ids-SM=0A),旁路开关SiC MOSFET维持关断(Vgs-SJ=0V)。
第四阶段[t2~t]:当线路电流Iline经过保护时延Td之后(t2时刻)的电流值仍大于2.5倍额定电流且负载端电压没有恢复至V0,判定系统发生过流故障。此时,应按照短路故障第三、四阶段方法关断SSCB。
3.3冲击电流
SSCB在冲击电流下的理想电气量波形如图6所示。当检测到主开关SiCJFET漏极电流Ids-SJ满足2.5×Irated
第一阶段[0~t0]:该阶段系统正常运行(Ids-SJ=Iline)。主开关SiCJFET保持导通状态(Vgs-SJ=0V)。辅助旁路不工作(Ids-SM=0A),旁路开关SiC MOSFET维持关断(Vgs-SM=0V)。
第二阶段[t0~t1]:t0时刻系统产生冲击电流,冲击电流快速上升,且上升速率小于短路故障电流。
第三阶段[t1~t2]:t1时刻线路电流Iline达到2.5×Irated,SSCB开启限流保护模式。为了避免短时过电流引起SSCB误跳闸,栅极驱动器产生PWM信号控制主开关SiC JFET快速通断以限制过电流增长速度。
第四阶段[t2~t]:t2时刻,线路电流Iline经过保护时延Td之后电流值低于2.5倍额定电流且负载端电压恢复至VBUS,判定线路中过电流为冲击电流。此 时,应恢复SSCB正常导通,打开主开关SiCJFET (Vgs-SJ=15V)并维持旁路开关SiC MOSFET关断(Vgs-SM=0V)。
4、仿真验证与分析
380V/63A直流SSCB仿真模型如图7所示。本文利用ORCAD/PSpice软件对该SSCB模型进行了搭建。其中,SSCB主开关选用UnitedSiC公司生产的常通型1200V/63A SiC JFET器件(UJ3N120035K3S),旁路开关选用WOLFSPEED公司1200V/81A SiC MOSFET器件(C3M0021120D)。SSCB主电路仿真参数:直流母线电压VDC=380V,SiCJFET栅极负偏置电压VG=-15V,SiC MOSFET栅极负偏置电压VG=0V,线路电感L=40μH,负载电阻R2=50Ω,负载电容C=470nF,旁路电阻Rs=6.8kΩ,旁路电容Cs=200nF。根据系统在不同运行方式下搭建的SSCB模型进行仿真分析,得到SSCB主要电气量波形如图8~10所示。其中,图8~10中(a)、(c)、(e)分别为不同运行方式下主开关SiCJFET器件栅源电压、漏源电压和漏极电流波形。图8~10中(b)、(d)、(f)分别为不同运行方式下旁路开关SiC MOSFET器件栅源电压、漏源电压和漏极电流波形。图8~10中(g)、(h)分别为不同运行方式下主线路电流及续流回路电流波形。
短路故障下SSCB电气量波形如图8(g)所示,模拟线路于10μs时发生短路故障,线路电流迅速升高,并于23 μs时升至4倍额定电流值,达到SSCB设置的短路保护动 作值。此时主开关SiCJFET开始关断并通过旁路开关SiC MOSFET泄放主线路 电流。如图8(a)所示,根据UJ3N120035K3S器件开断延迟设置栅极电压延迟关断时间10μs,在Vgs-SJ降至关断阈值电压时,图8(c)中SiC JFET漏源电压升至 电源电压380V。同时,图8(b)、(d)、(f)中SiC MOSFET快速导通并泄放线路短路电流,泄放电流Ids-SM存在的时间短且满足C3M0021120D对器件冲击电流的安全需求。最终SSCB于60μs时断开泄放旁路并完成关断操作。
过流故障下SSCB电气量波形如图9(g)所示,模拟线路于10μs时发生过流故障,线路电流较缓升至2.5倍额定电流值,达到SSCB设置的过流保护动作值,SSCB开启限流保护模式。SSCB产生PWM信号驱动控制SiC JFET,线路电流上升速度放缓。如图9(g)所示,限流模式延时1ms后,线路电流仍然处于较高水平,过流故障 仍未清除。故在图9(a)、(b)中1ms时关断线路开关SiCJFET,打开旁路开关SiC MOSFET泄放过电流。
冲击电流下的SSCB电气量波形如图10所示,模拟线路于10μs时产生冲击电流,线路电流Iline较缓升至2.5倍额定电流值,SSCB开启限流保护模式。此时,SSCB栅极驱动器通过PWM信号驱动控制主开关SiCJFET,线路电流上升速度得到限制。区别于过流故障下的SSCB,限流模式延时1 ms内线路电流恢复至正常水平。故 在图10 (a)、(b)中1ms时恢复开关SiCJFET正常导通,辅助旁路不工作。
5、结语
本文提出了一种新型低压直流碳化硅固态断路器拓扑,该SSCB主开关采用常通型SiCJFET器件,用于快速切断线路故障电流。辅助旁路由RC缓冲电路、MOV和SiC MOSFET器件构成,用于辅助泄放线路过电流。该SSCB针对系统不同的故障情况,设置了相应的保护方法,通过控制主开关SiCJFET及旁路开关SiC MOSFET动作,实现故障电流的切断和过电流泄放。最后通过ORCAD/PSpice仿真验证所提SSCB设计方法的可行性。
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