关键词：固态直流断路器；保护时间；复合母排；IGBT

0  引言

引作为直流电网的快速保护装置，固态式直流断路器已经成为直流电力系统中讨论的重要话题。轨道交通、船舶动力系统、直流输配电及能量路由器领域均对断路器提出了新的需求^[1-3]。

船舶动力系统中，以直流电作为船舶推进系统、武器系统、通信系统及辅助系统唯一能源的综合利用已经成为发展的主流趋势。船舰电力系统由于线缆走线短，阻抗低，且系统追求低感抗设计，故障短路电流上升率超过20kA/ms^[1]，关断时间直接决定了保护关断过电流峰值大小，也直接影响了故障对于系统其他设备的冲击程度。

直流断路器的设计要点在于关断时间尽量短、关断过电压尽量小。机械式及混合式断路器由于空气断路器的存在导致关断时间停留在毫秒级别，同时涉及到灭弧等附生问题需要考虑，诸多文献^[4-9]对于这两种断路器研究进行了详细的描述。纯固态直流断路器完全采用半导体器件构成，近年来，基于IGCT、IGBT及可控硅等半导体器件的直流断路器将系统保护关断时间缩短至微妙级别。

本文描述的直流断路器应用于船舰动力系统中，系统对断路器提出的关键参数如下表1。

1  电气方案设计

1.1  电气原理

为实现断路器电流双向流动，文献^[10]中描述了一种“背靠背”反串联方式如图1。IGBT电路电流由X1进X2出时，开关VT1、VT2导通；反之，电流由X2进X1出时，开关VT3、VT4导通。

图1  背靠背拓扑

Fig.1  Back-to-back topology

系统工作原理是，控制器根据电流方向控制开关管VT1、2和VT3、4轮流通断。不同电流方向时：

1）在正常运行情况下，若电流方向为端子X1流向端子X2，电流经开关管VT1、2的IGBT及VT3、4的反并二极管构成回路。

检测到短路故障时，同步封锁VT1、2与VT3、4的触发脉冲，关断IGBT，由于线路或负载电感的存在，电流通过MOV（金属氧化物压敏电阻）续流并消耗电感能量。R1与C1用于吸收在MOV响应前的线路电感关断能量。

2）在正常运行情况下，若电流方向为端子X2流向端子X1，电流经开关管VT3、4的IGBT和VT1、2的反并二极管构成回路。

检测到短路故障时，同步封锁VT1、2与VT3、4的触发脉冲，关断IGBT，关断时，电流通过MOV续流并消耗线路电感能量，R1与C1吸收在MOV响应前的线路电感关断能量。

经上描述，串联方式器件利用率仅50%，为了提高开关利用率，本文采用桥式结构^[11-12]实现电流双向流动。系统拓扑如图2示：

图2  H桥式拓扑

Fig.2  H-bridge topology

系统由二极管D1～D4整流桥、IGBT开关器件组成。当电流方向为X1端至X2端时，电流经过D1、VT1、VT2、D3构成回路。当电流为X2端至X1端时，电流经过D4、VT1、VT2、D2构成回路。IGBT利用率提高至100%，器件数量减少一半。

断路器除主要半导体器件外，由于断路器及应用环境存在寄生电感，断路器需考虑关断时的能量吸收；断路器内部可能存在多级开关器件串并联，需要考虑内部均压；同时，在系统负载呈容性时，断路器需要考虑导通时的电流上升率，故，断路器内部还包含RC吸收电路、均压电路、预充电电路。

2断路器样机设计

2.1 控制系统设计

短路器控制系统需要完成电压电流监测、外部通信、器件保护、故障判断及IGBT控制功能。为保证断路器的关断时间指标，设计重点在于回路电流的快速、精确数字化。设计时，采用FPGA+ADC架构实现，ADC选用12MHz12bits芯片。

系统软件框架包含主程序和慢控程序两大部分。其中，主程序完成断路器通断相关的直接逻辑判断与控制，慢控程序完成上位机交互，状态监测等功能。直流固态断路器软件设计流程如下图3。

主程序逻辑：正常工作时，控制系统监测系统状态，如进出端电压，主回路电流等，并将实时状态反馈至上位机及外部状态显示灯。系统即时监测预充电指令，指令到达且系统安全时，系统根据输入输出端电压差执行预充电判断，若压差超过预设阈值，则导通预充电IGBT，直至压差小于阈值后，关闭预充电IGBT，等待外部主开关分合指令。

图3  软件框图

Fig.3 The block diagram of the software

开通及关断指令到达时，系统处于安全状态，

且预充电完毕或不需要预充电，系统导通主IGBT，并进入正常运行状态的保护逻辑。保护逻辑包含三类保护，反时限保护、速断保护和瞬态保护，三类保护并行执行，优先级并列。

反时限保护逻辑：系统监测主回路电流，判断电流是否在额定电流工作范围内，若电流未超过过载电流阈值，则断路器工作在额定电流导通状态；否则进入过载等待时间，等待时间结束后，如果系统电流低于过载阈值，则判定断路器恢复正常工作状态，系统进入下一次反时限保护逻辑状态，反之系统触发反时限保护，执行关断动作。

极限保护逻辑：系统监测主回路电流，电流超过极限保护阈值，系统执行保护逻辑。

瞬态保护逻辑：系统根据电流采样进行电流变化率计算，当变化率大于预设阈值，执行保护逻辑，瞬态保护也可以归类为极限保护。

保护动作同样可通过慢控程序的中断环节触发。慢控程序主要完成启机时预设参数的存储器读取、外部交互、工作状态查询及保护中断处理。

2.2 结构设计

为满足长期通流时IGBT及二极管散热需求，断路器设采用水冷方式，如图4。同时考虑设备关断时，寄生电感能量给吸收回路带来的过电压，路器内部主回路采用复合母排设计。

根据器件功耗及尺寸，设计水冷板流道。半导体器件贴装在水冷板，复合母排压装在半导体器件上方。同时，箱内设计风扇提供热循环。根据前文计算的损耗完成散热仿真。

图4  断路器结构图

Fig.4  Structure of circuit breaker

热仿真基于Solidworks软件完成，考虑冗余，IGBT总散热功耗9kW，二极管散热工号8.8kW。环境温度45℃，进水温度45℃，压力0.2MPa，水流量设置为40L/min时，得到水冷板及箱内温度分布如图5。

二极管表面最高温度为63.64℃，温升18.64K。IGBT表面最高温度为58.35℃，温升为13.35K。箱体内部最高温度为50.56℃，温升为5.56K。进水口温度为45℃，出水口温度48.16℃，进出水温升3.16K。

3 样机测试

根据上述设计参数，我司制造了断路器样机并搭建测试平台完成了测试，由于断路器属于保护装置，且长期处于通流状态，其保护时间及温升是最关键的指标。

3.1 实验平台

搭建如图6示试验台，实验平台包含一台380V/1000V升压变压器、2MW六脉波整流装置、滤波电容组以及负载。

图6  试验台原理图

Fig.6  Schematic diagram of test-bed

3.2 关断保护实验

将负载电阻旁路，断路器处于断开状态，整流器输出调至额定电压1kV。保护阈值设置为2kA。由于回路处于短路状态，某时刻闭合断路器，电流急剧上升，即可模拟短路保护工况，测试波形如图7:

图7  短路保护波形

Fig.7 Waveform of short circuit protection

数据整理如表2列:

与实验结果吻合。由于系统响应时间由断路器系统设计决定，而电流下降时间与回路电感相关，可以判断在回路电感8uH时，电流下降时间可控制在15us内，进而，断路器从电流过阈值到降至零的总时间小于30us，满足系统需求。

3.3 温升实验

额定工况,即1kV/2kA工况下，搭建实验台，对断路器做满载长期通流实验，设置冷却水压力0.2MPa，流量40L/min，监测断路器关键器件温度如下图8：

图8  温升实验结果

Fig.8  Results of temperature rise experiment

断路器稳定通流时，室温及进水温度23℃，内部温度在上电40分钟后达到稳定，其中导通二极管最高温度41.4℃，温升最高温升18.4℃，IGBT最高温度37.3℃，温升14.3摄氏度。与热仿真结果吻合。满足系统需求。

3 结论

直流电网的快速发展对于断路器等保护装置提出了日益严格的要求，本文从理论计算、仿真分析、实验论证三方面出发，设计并制造了一款用于船舰动力系统的1kV/2kA固态直流断路器。额定工况下可实现关断保护时间30us。

样机性能完全满足船舰系统对于故障的保护关断时间需求，同样工况下，目前领域内暂无类似产品保护时间可达到论文指标。同时，设计过程中的计算、仿真方法为同类产品提供了较有价值的参考。

参 考 文 献                                                                                                                                                     

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廖晓斌(1977—)，男，硕士研究生，主要研究方向：高压变频、固态直流断路器。E-mail：liaoxiaobin@fullde.cn

刘湘(1989—)，男，通信作者，博士研究生，主要研究方向：电力电子、直流断路器。E-mail：liuxiang@fullde.cn.

盛建科(1970—)，男，博士，高级工程师，主要研究方向：风电变流器、高压断路器。E-mail：shengjianke@fullde.cn