1、第 49 卷 第 3 期：1304-1313 高电压技术 Vol.49,No.3:1304-1313 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20212036 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 基于 PMOS 的自取电直流固态断路器 彭宇航1，王鹿军1，田爱娜1，张晓星1，吴铁洲1，申 喜2（1.太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室(湖北工业大学)，武汉 430068；2.中国舰船研究设计中心，武汉 430000）摘 要：相比传统机械式断
2、路器，固态断路器(solid-state circuit breaker，SSCB)以其分断速度快、不产生电弧等优点，在直流电网中得以广泛关注。然而，固态断路器基于半导体开关器件，除功率电路外还需要额外的控制和驱动电路，这部分电路工作需要外接供电电源，提高了系统复杂程度，特别是在电网自身故障时，供电电源也可能不稳定，降低了固态断路器的可靠性。为此，提出了一种基于 PMOS 的自取电直流固态断路器，并分别通过仿真与实物样机证明了本固态断路器的可行性与有效性。实验结果表明，所提固态断路器在正常导通时，PMOS 处于完全开通状态，不影响线路正常工作时的电压；在直流系统发生短路故障时，利用短路电流耦合
3、能量在无需额外供电电源的前提下使得 PMOS 可靠关断，提升了系统的稳定性与可靠性，可以应用于直流微电网或者电池储能等场合，具有较好的应用前景。关键词：直流固态断路器；直流电网；PMOS；自取电；拓扑结构；耦合能量 Self-powered DC Solid-state Circuit Breakers Based on PMOS PENG Yuhang1,WANG Lujun1,TIAN Aina1,ZHANG Xiaoxing1,WU Tiezhou1,SHEN Xi2(1.Hubei Key Laboratory for High-efficiency Utilization of So
4、lar Energy and Operation Control of Energy Storage System,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China;2.China Ship Research and Design Center,Wuhan 430000,China)Abstract：Compared with traditional mechanical circuit breakers,solid-state circuit breaker(SSCB)has been widely no-ticed in the DC po
5、wer grid for its fast-breaking speed and non-arcing advantages.However,solid-state circuit breakers are based on semiconductor switching devices,which require additional control and drive circuits in addition to the power circuit.The operation of this part of the circuit requires an external power s
6、upply,which increases the complexity of the system,especially,when the grid itself fails,the power supply may also be unstable,reducing the reliability of solid-state circuit breakers.To this end,a PMOS-based self-powered DC solid-state circuit breaker is proposed in this paper,and the feasibility a
7、nd effectiveness of this solid-state circuit breaker are demonstrated by simulation and physical prototype,re-spectively.The experimental results show that the proposed solid-state circuit breaker is fully turned on during normal conduction,which does not affect the line voltage during normal operat
8、ion;in case of short-circuit faults in the DC system,the short-circuit current coupling energy is used to enable the reliable turnon and turnoff of PMOS without additional power supply,which improves the stability and reliability of the system and can be applied to DC microgrids or small en-ergy sto
9、rage systems.It has good application prospects.Key words：DC solid-state circuit breakers;DC grid;PMOS;self-powered;topological structure;coupled energy 0 引言1 近年来，随着能源结构低碳化和能源系统的智能化，直流微电网作为适合分布式电源和直流负荷的接入形式，展现出较强的技术优势和发展前景1。然而，短路保护问题一直是直流电网的关键难题之 基金资助项目：湖北省重点研发计划(2022BID012)；湖北省自然基金面上项目(2022CFB404)；国
10、家自然科学基金(51607060)。Project supported by Key R&D Program of Hubei Province(2022BID012),Natural Science Foundation of Hubei Province(General Program)(2022CFB404),National Natural Science Foundation of China(51607060).一2-8，与传统的交流电网不同，直流电网惯性小、阻抗低，故障发展速度快，为了确保电网系统的安全性与稳定性，需要及时切断短路电流。为抑制短路电流上升率，降低断路器分断压力，通
11、常会在线路中串入直流限流器，国内外研究的限流技术主要有超导限流9-11、磁性元件限流12-13、PTC 电阻限流14-15、固态限流等。由于限流器的主要作用是限制电流增长，并不具备分断能力，所以为了完全切断故障支路，通常要与断路器配合使用。彭宇航，王鹿军，田爱娜，等：基于 PMOS 的自取电直流固态断路器 1305 直流断路器一般分为机械式、固态和混合式 3种类型16。机械式直流断路器在分断时由于本身固有的动作时间和电弧的存在，会导致整个分段过程耗时较长，达到数十毫秒甚至更长，过长的分断时间会使得电力电子设备退出工作，降低了电网的稳定性与可靠性；固态直流断路器采用半导体功率器件作为主要开关元件
12、，具备无电弧、分断快等优点，但其成本偏高，通态损耗较大17，而且往往需要配合控制策略，短路电流检测等模块配合使用，提升了系统的复杂程度；混合式直流断路器由机械开关支路、固态开关、缓冲吸收回路和限流回路组合而成，既能实现可控开断，也能保证低通态损耗，但其结构复杂、机电协同难度大、分断速度受机械开关限制18。由于直流微网母线电压一般在 1500 V以下，大多在 750 V 左右，此电压范围内 IGBT、MOS 管等功率半导体器件较为成熟可靠，因此固态断路器以其快速性和灵活性优势成为直流微网的重要研究方向19。文献20提出了一种基于电力电子器件的固态直流断路器结构，其中包含一组反并联全控电力电子器件
13、，将其与能量吸收支路并联，提高了开端速度，但是存在通态损耗大，结构复杂的缺陷。文献21提出了一种由晶闸管和 IGBT 并联构成的基于电力电子器件的固态直流断路器结构，降低了通态损耗大，但是断路器体积过大。文献22提出一种基于IGCT和SCR的直流固态限流断路器技术方案，通过改善主开关管 IGCT 并联工作的可靠性，提高断路器分断能力。文献23提出了一种带有限流功能的高压直流断路器拓扑，该拓扑采用IGBT 作为主开关器件，同时具有分断、限流功能，并具有通态损耗小、关断电流大、电压等级高等优点，但开关管数量较多、控制逻辑复杂。上述断路器技术的设计优点在于：与机械式断路器相比，无电弧分断且分断时间明
14、显更短，但也存在不足之处：此类断路器的操作必须根据非常精确、严格的时序来进行，需要检测、控制配合一致，且断路器除功率电路外需要额外的控制和驱动电路，这部分电路工作需要外接供电电源，提高了系统复杂程度，特别是在电网自身故障时，供电电源也可能不稳定，降低了断路器的可靠性。针对上述不足，本文提出了一种基于 PMOS 的自取电直流固态断路器，串联工作在直流电网中。当未发生短路故障时，本固态断路器正常导通，对原线路流通无影响；当发生短路故障后，在无需额外供电电源的情况下利用短路电流耦合能量使得PMOS 可靠关断。基于 PMOS 的自取电直流固态断路器所使用器件均可根据电压等级进行调整，有效降低了制造成本
15、，且结构简单，无需额外辅助电路或复杂的控制策略，有效加快了响应速度，提高了电网运行的可靠性。本文分 5 章进行论述。第 1 章介绍了本文所提出的固态断路器拓扑结构并分析了电路工作原理；第 2 章对本文所提出的固态断路器进行理论推导与参数设计；第 3 章在 Multisim 平台搭建了该固态断路器电路的仿真模型，通过软件仿真验证了该方法阻断短路电流的可行性；第 4 章节实际搭建了一个小功率的固态断路器实验平台，并进行了测试，通过实验数据验证了该固态断路器电路拓扑的有效性；第 5 章对全文进行总结。1 拓扑结构及工作原理 1.1 基于 PMOS 的主开关特性分析 传统固态断路器中使用的全控型器件绝
16、大部分是 NMOS，正常情况下关断，本文设计固态断路器需要正常情况下导通，发生短路故障的时候才关断，且出于安全考虑安装在正极，因此选择 PMOS作为主开关管。PMOS 物理结构如图 1 所示。本文电路拓扑选择 PMOS 作为主开关管，通过控制主开关的开通和关断达到对电路故障时短路电流的限制与阻断。图 2(a)和(b)分别是 PMOS 的漏极特性曲线与转移特性曲线，漏极特性曲线可分为夹断区、恒流区和可变电阻区 3 部分，转移特性曲线是 PMOS 工作在恒流区中时所对应的曲线。UGS与ID的近似关系式为 2DD0GSGS(TH)(/1IIUU=）(1)式中：UGS为 PMOS 栅极与源极电压差；ID0为漏极初始电流；UGS(TH)为 PMOS 管开启电压；ID为漏极电流。PMOS 的导通与关断是通过源极(S 极)电压与栅极(G 极)电压的大小控制的，常用接法是 S 级接 图 1 P 型 MOSFET 结构图 Fig.1 P-MOSFET structure diagram 1306 高电压技术 2023,49(3)输入，D 极接输出。当栅极电压与源极电压相等时PMOS 进入夹断区，可以达到
