双向H桥IGBT固态断路器制造技术

本发明专利技术涉及一种过流能力强的双向H桥IGBT固态断路器，包括四条二极管支路L1、L2、L3、L4，所述二极管支路L1、二极管支路L2以相同导通方向相接从而形成支路J1，所述二极管支路L3、二极管支路L4以相同导通方向相接从而形成支路J2，所述支路J1、支路J2反向并联；还包括IGBT集群，所述IGBT集群具有多只相互连接的IGBT器件，所述IGBT集群的一端连接至支路J1、支路J2之间的其中一个接点，所述IGBT集群的另一端连接至支路J1、支路J2之间的另一个接点。本发明专利技术的双向H桥IGBT固态断路器具有过流能力强，断路器的效率高，电流分断能力强，开关元件少，保护时间短的特点，可实现100us内的微秒级可靠关断。

【技术实现步骤摘要】
双向H桥IGBT固态断路器
本专利技术涉及直流电网故障保护领域，尤其涉及一种双向H桥IGBT固态断路器。
技术介绍
区别于传统的交流电网，直流电网在发生短路时，由于没有电压过零点，常规断路器无法瞬间关断直流大电流，进行故障保护，因而双向直流固态断路器应运而生，正在发展中的直流电网，尤其是船舶的综合电力系统离不开高压大功率能快速关断的双向直流固态断路器的应用。近几年，国内外开发成功的双向直流固态断路器多为混合式断路器，关断时间一般在3毫秒以上，难以满足大型船舶直流电网需要微秒级快速关断的短路故障保护要求。尤其是针对特殊用途的船舶，其直流电网电压上升到10kV以上后，对直流断路器的快速关断和系统可靠性提出了更高的要求。由于目前市场上尚不具备该类产品，国内外开始研究开发这种微秒级快速关断型固态断路器。
技术实现思路
本专利技术出于安全考虑，旨在提供一种整机过流能力强的双向直流固态断路器，用于实现100us内的可靠关断。本专利技术的技术研发思路如下所示：目前，现有技术中对双向直流固态断路器主要有半控器件型结构、全控器件H桥式结构、全控器件反并联结构、全控器件反串联结构四种方案，电气拓扑具体为：(1)半控器件型结构见图1，半控器件型结构的核心为反向并联的半控器件，如图中所示两条可控硅支路，当能量正向流动时，开通正向串联的可控硅Ty1，能量正向流动，如果能量需要反向流动，关掉Ty1，开通Ty2，能量即可反向流动。(2)全控器件H桥式结构见图2，全控器件H桥式结构需要四组二极管组件及一组全控器件实现双向通流及分断，其中，二极管组件D1、全控器件T1以及二极管组件D4实现正向通流回路，而二极管组件D3、全控器件T1以及二极管组件D2实现反向通流回路。(3)全控器件反并联结构见图3，全控器件反并联结构需要两组二极管组件及两组全控器件实现双向通流及分断，其中，正向通流时，开通全控器件T1以及二极管组件D1，此时全控器件T2关断，反向通流时，开通全控器件T2以及二极管组件D2，此时全控器件T1关断。(4)全控器件反串联结构见图4，全控器件反串联结构需要两组二极管组件及两组全控器件，正向通流时，开通全控器件T1以及二极管组件D2，此时全控器件T2关断；反向通流时，开通全控器件T2以及二极管组件D1，此时全控器件T1关断。上述四种方案中，若采用半控器件型结构来制作10KV/5KA双向直流固态断路器，其最大技术瓶颈在于主回路采用的是半控器件，即晶闸管，因而难以保证主回路在100us内可靠关断，具体理由如下：普通晶闸管能承受的最大通态电流临界上升率(di/dt指标)为200A/us，关断时间一般在500us到1ms之间，且其在关断时的电流临界变化率还会比最大通态电流临界上升率指标要小，不能超过100A/uS。如果在关断开始时电流为10000A，保守取电流关断变化率为50us，则最短关断时间为10000/50＝200us，亦即采取普通晶闸管，哪怕是瞬时为晶闸管加上足够反压，晶闸管的关断时间也在200us以上，甚至，能不能做到200us内关断，目前还尚未有反压关断应用案例，还需要做大量的试验验证。对于快速晶闸管，其最大通态电流临界上升率为1000A/us，通态平均电流为2845A，断态重复峰值电压为3500V到4500V，通态门槛电压VT0为2.18V，通态峰值电压VTM最大3.40V(通态管压降)，典型应用关断时间也在150us，很明显，采用快速晶闸管也不能实现主回路在100us内可靠关断，而且快速晶闸管的通态管压降大于普通晶闸管，是普通晶闸管的两倍多，不适于长期通流，甚至，要达到10KV/5KA的直流断路器应用要求，需要6个串联，主回路损耗将达到约3.4V×6×5KA＝102KW。综合来看，根据当今普通晶闸管还是快速晶闸管的技术水平，这两种半导体开关都不能满足10KV/5KA双向直流固态断路器对100us内可靠关断的技术应用要求。而对于全控器件H桥式结构、全控器件反并联结构、全控器件反串联结构三种方案，可从功率器件数目、设计复杂程度、可靠性以及经济性等方面进行对比，如表1所示：表1三种双向固态断路器方案对比根据表1，可知：(1)从经济成本角度分析，三种双向固态断路器方案具有相同数目的功率器件，但不同在于，反并联结构与反串联结构需要两倍的全控器件。由于全控器件的价格昂贵，因此反并联结构与反串联结构的双向固态断路器的经济成本相对较高，而H桥式结构的价格成本相对最低。(2)从结构设计角度分析，由于三种双向固态断路器方案都需要多组全控器件并联及二极管器件并联方式实现大电流分断，因此并联功率组件的结构设计以及并联组件间布局使得三种方案的结构设计都相对困难。即便反并联结构与反串联结构可用逆阻型或逆导型全控器件来简化整体的结构布局，但由于逆阻型或逆导型全控器件的额定电流相对较低，因而需要更多的全控器件并联，导致反而增加了并联组件结构设计难度，同时增加了并联功率组件间各器件支路均流的设计难度，使得两种方案的可靠性降低。而根据15KA双向固态断路器的设计指标，H桥式结构相对于其它两种方案的占地面积较小。(3)从技术难度角度分析，双向H桥式结构的设计需解决快速关断时全控器件反向过电压问题以及并联功率器件的均流问题，而反并联结构与反串联结构的设计不但需要解决全控器件反向过电压与并联均流问题，同时还需要解决电流换向时的两组全控器件的开通关断逻辑控制。结合经济成本、控制难度以体积等因素对比，可见H桥式结构相对于其它两种双向固态断路器拓扑更具优势，因此，选用H桥式结构方案来实现10kV/5kA双向直流固态断路器的双向通流与开断。选定固态断路器拓扑后，需选取合适的全控器件应用于H桥式结构。目前，全控器件中具有性能优势的有IGBT器件、IGCT器件等，下述对两者进行对比分析。由于单个全控器件无法满足5kA大电流的开断要求，需要多个全控器件并联来实现其大电流的分断及通流要求，因而本专利技术选取了压接式封装的全控器件，该封装形式易于实现全控器件的并联结构。针对10kV/5kA断路器的技术要求，选取了目前市场上主流的2款断态峰值电压为4.5kV的压接式封装全控器件，分别是型号为5SJA3000L450300的IGBT器件(ABB)、型号为5SHY35L4522的IGCT器件(ABB)，两者参数对比如表2所示：表2全控器件参数对比从上表2得出，在开断瞬间损耗对比下，IGCT器件的开断损耗较低，但过流能力较弱，而IGBT器件的过流能力较强，但开断损耗较高。出于安全考虑，优先保障整机过流能力的需求，结合固态断路器一次开断的特点，选用IGBT器件应用于H桥式结构。基于上述，提出下述双向H桥IGBT固态断路器方案，包括四条二极管支路L1、L2、L3、L4，所述二极管支路L1、二极管支路L2以相同导通方向相接从而形成支路J1，所述二极管支路L3、二极管支路L4以相同导通方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.双向H桥IGBT固态断路器，其特征在于：/n包括四条二极管支路L1、L2、L3、L4，所述二极管支路L1、二极管支路L2以相同导通方向相接从而形成支路J1，所述二极管支路L3、二极管支路L4以相同导通方向相接从而形成支路J2，所述支路J1、支路J2反向并联；/n还包括IGBT集群，所述IGBT集群具有多只相互连接的IGBT器件，所述IGBT集群的一端连接至支路J1、支路J2之间的其中一个接点，所述IGBT集群的另一端连接至支路J1、支路J2之间的另一个接点。/n

【技术特征摘要】
1.双向H桥IGBT固态断路器，其特征在于：
包括四条二极管支路L1、L2、L3、L4，所述二极管支路L1、二极管支路L2以相同导通方向相接从而形成支路J1，所述二极管支路L3、二极管支路L4以相同导通方向相接从而形成支路J2，所述支路J1、支路J2反向并联；
还包括IGBT集群，所述IGBT集群具有多只相互连接的IGBT器件，所述IGBT集群的一端连接至支路J1、支路J2之间的其中一个接点，所述IGBT集群的另一端连接至支路J1、支路J2之间的另一个接点。


2.根据权利要求1所述的双向H桥IGBT固态断路器，其特征在于：所述IGBT集群中的IGBT器件之间形成有并联结构。


3.根据权利要求2所述的双向H桥IGBT固态断路器，其特征在于：所述并联结构中各只IGBT器件的自身参数一致且电路布局对称。


4.根据权利要求2所述的双向H桥IGBT固态断路器，其特征在于：所述并联结构有多组，各组所述并联结构相互串联。


5.根据权利要求4所述的双向H桥IGBT固态断路器，其特征在于：各组所述并联结构中的IGBT器件数量相同。

【专利技术属性】
技术研发人员：李稳根，廖晓斌，
申请(专利权)人：广东福德电子有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44