一种基于反向开关晶体管的固态直流断路器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于反向开关晶体管的固态直流断路器，包括主通流支路，主通流支路中包括串联的超快隔离开关和负载换向开关，还包括分别接往主通流电路两端的两个接线端子，在上述两个接线端子与主通流电路之间设有整流桥，从一端接线端子输入的电流经过整流桥后流过另一端接线端子；整流桥包括反向开关晶体管和二极管组成的换流支路和电容电感、避雷器组组成的能量吸收支路。本发明专利技术提供的换流支路采用的特种半导体器件RSD基于可控等离子层的换流原理，具有全面积均匀开通的特性优势和低损耗、高di/dt耐量、易串联的特点，使得本发明专利技术提供的断路器能有效解决传统高压直流断路器中高耐压与低导通损耗、高通流能力相矛盾的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于反向开关晶体管的固态直流断路器


[0001]本专利技术属于断路器
，更具体地，涉及一种基于反向开关晶体管的固态直流断路器。

技术介绍

[0002]由于直流电网相较于交流电网有着更好的整合新能源发电的优势，近年来得到了快速的发展。直流电网输电线路中的一个重要环节是直流断路器，它是能够关合、承载和开断直流系统中运行电流，并能在规定的时间内关合、承载和分断直流系统故障电流的设备，其性能直接影响着电网的正常运行。根据工作环境、运行电压等级以及所用的电力电子元件的不同，将直流断路器分为三大类：机械式、固态式和混合式直流断路器。
[0003]由于在直流电网中直流系统阻抗小，并且随着电网的电压等级逐渐升高，发生短路故障时短路电流会有高峰值、高di/dt的特点。因此，要求直流断路器中的换流支路半导体开关耐压高、通流能力强以及di/dt耐受能力强。目前，候选器件包括绝缘栅双极晶体管IGBT、集成门极换流晶闸管IGCT、晶闸管等，然而它们要兼顾直流断路器所需的高电压、大电流、高di/dt要求，研制代价较高。
[0004]因此，如何解决传统的高压直流断路器中高耐压与低导通损耗、高通流能力相矛盾的问题是亟需解决的问题。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种基于反向开关晶体管的固态直流断路器，旨在解决传统高压直流断路器中高耐压与低导通损耗、高通流能力相矛盾的问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于反向开关晶体管的固态直流断路器，包括：
[0007]主通流支路，包括接线端子P1和P2及串联的超快隔离开关UFD和负载转向开关LCS，两接线端子与外部直流电网输电线路相连；
[0008]整流桥，包括能量吸收支路、换流支路和桥支路，其中，能量吸收支路包括接线端子P3和P4、电容C、电感L和避雷器组MOV，电容C与避雷器组MOV并联后与电感L串联；每个换流支路均包括两第一换流子支路和两第二换流子支路，各换流子支路均包括正向串接的反向开关晶体管和二极管，两第一换流子支路的正极端共接于A点，两第一换流子支路的负极端对应于接线端子P3和P4相连，两第二换流子支路的负极端共接于B点，两第二换流子支路的正极端对应于接线端子P3和P4相连；桥支路包括两第一桥子支路和两第二桥子支路，各桥子支路均包括一二极管，两第一桥子支路中的二极管的负极共接于A点，两第一桥子支路中的二极管的正极对应与接线端子P1和P2相连，两第二桥子支路中的二极管的正极共接于B点，两第二桥子支路中的二极管的负极对应与接线端子P1和P2相连。
[0009]本专利技术提供的基于反向开关晶体管的固态直流断路器，在两个接线端子与主通流
支路之间设有整流桥，正常工作时，电流流过主通流支路；当发生短路故障时，LCS断开，故障电流流过整流桥后再流向短路点，主通流支路电流下降；当主通流支路电流降为0时，UFD打开，形成绝缘间隙，故障电流流过整流桥后再流向短路点，可实现故障电流处理。此外，由于本专利技术提供的换流支路采用的特种半导体器件RSD基于可控等离子层的换流原理，具有全面积均匀开通的特性优势和低损耗、高di/dt耐量、易串联的特点，使得本专利技术提供的断路器能有效解决传统高压直流断路器中高耐压与低导通损耗、高通流能力相矛盾的问题。
[0010]在其中一个实施例中，所述反向开关晶体管包括若干个相间排列的p
+
npn
+
晶闸管单元和n
+
npn
+
晶体管单元，所述反向开关晶体管内的阴极侧J3结由阴极掺杂浓度大于或等于10
20
cm
‑3的n
+
层和掺杂浓度为10
17
cm
‑3～10
18
cm
‑3的P层构成，所述反向开关晶体管内的阳极侧J1结由阳极掺杂浓度大于10
20
cm
‑3的n
+
层和掺杂浓度为10
17
cm
‑3～10
18
cm
‑3的n层构成。
[0011]在其中一个实施例中，所述p
+
npn
+
晶闸管单元内的位于所述阳极侧J1结的p
+
的材料为硼掺杂的硅，掺杂浓度为3
×
10
18
/cm
‑3，厚度为20μm。
[0012]在其中一个实施例中，所述n
+
npn
+
晶体管单元内的位于所述阳极侧J1结的n
+
的材料为磷掺杂的硅，厚度为30μm。
[0013]在其中一个实施例中，所述反向开关晶体管内的位于阴极侧J3结的n
+
的材料为磷掺杂的硅，厚度为30μm。
[0014]在其中一个实施例中，所述反向开关晶体管内的位于其集电侧J2结的p的材料为硼掺杂的硅，厚度为300μm。
[0015]在其中一个实施例中，所述反向开关晶体管内的位于其集电侧J2结的n的材料为磷掺杂的硅，厚度为500μm。
附图说明
[0016]图1是本专利技术一实施例提供的基于反向开关晶体管的固态直流断路器的电路原理图；
[0017]图2是本专利技术一实施例提供的反向开关晶体管的结构示意图。
具体实施方式
[0018]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0019]为解决传统高压直流断路器中高耐压与低导通损耗、高通流能力相矛盾的问题，本专利技术提供了一种基于反向开关晶体管(Reversely Switched Dynistor，简称RSD)的固态直流断路器，如图1所示，该固态直流断路器包括主通流支路和整流器。
[0020]在本实施例中，主通流支路，包括接线端子P1和P2及串联的超快隔离开关UFD和负载转向开关LCS，两接线端子与外部直流电网输电线路相连。
[0021]整流桥包括能量吸收支路、换流支路和桥支路。其中，能量吸收支路包括接线端子P3和P4、电容C、电感L和避雷器组MOV，电容C与避雷器组MOV并联后与电感L串联。每个换流支路均包括两第一换流子支路和两第二换流子支路，各换流子支路均包括正向串接的反向开关晶体管(图1中RSD1～RSD4)和二极管(图1中D5～D8)，两第一换流子支路的正极端共接
于A点，两第一换流子支路的负极端对应于接线端子P3和P4相连，两第二换流子支路的负极端共接于B点，两第二换流子支路的正极端对应于接线端子P3和P4相连。桥支路包括两第一桥子支路和两第二桥子支路，各桥子支路均包括一二极管(图1中D1～D4)，两第一桥子支路中的二极管的负极共接于A点，两第一桥子支路中的二极管的正极对应与接线端子P1和P2相连，两第二桥子支路中的二极管的正极共接于B点，两第二桥子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于反向开关晶体管的固态直流断路器，其特征在于，包括：主通流支路，包括接线端子P1和P2及串联的超快隔离开关UFD和负载转向开关LCS，两接线端子与外部直流电网输电线路相连；整流桥，包括能量吸收支路、换流支路和桥支路，其中，能量吸收支路包括接线端子P3和P4、电容C、电感L和避雷器组MOV，电容C与避雷器组MOV并联后与电感L串联；每个换流支路均包括两第一换流子支路和两第二换流子支路，各换流子支路均包括正向串接的反向开关晶体管和二极管，两第一换流子支路的正极端共接于A点，两第一换流子支路的负极端对应于接线端子P3和P4相连，两第二换流子支路的负极端共接于B点，两第二换流子支路的正极端对应于接线端子P3和P4相连；桥支路包括两第一桥子支路和两第二桥子支路，各桥子支路均包括一二极管，两第一桥子支路中的二极管的负极共接于A点，两第一桥子支路中的二极管的正极对应与接线端子P1和P2相连，两第二桥子支路中的二极管的正极共接于B点，两第二桥子支路中的二极管的负极对应与接线端子P1和P2相连。2.根据权利要求1所述的基于反向开关晶体管的固态直流断路器，其特征在于，所述反向开关晶体管包括若干个相间排列的p
+
npn
+
晶闸管单元和n
+
npn
+
晶体管单元，所述反向开关晶体管内的阴极侧J3结由阴极掺杂浓度大于10
20
cm
‑3的n
+
层和掺杂浓度为10
17
cm
‑3～10
18
...

【专利技术属性】
技术研发人员：温凯俊，梁琳，卿正恒，
申请(专利权)人：武汉脉冲芯电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：