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1、電源學會第二十一屆學術年會集一種固態(tài)斷路器及其在超級 UPS 中的應用，平，浙江省 杭州市 310027）（浙江大學電氣A Solid State Circuit Breaker and its application in Super UPSLI HAIJIN, YANG BO(College of Electrical Engineering,XU DEHONG, Hangzhou 310027,Province,)ABSTRACT: In this paper, demand for Solid State DC Circuit Breaker for Super Uninterrupt

2、ible Power Supply (UPS) is analyzed firstly. Design of the Solid State DC Circuit Breaker is investigated. Then the optimized structure with RCD+MOV is designed to reduce the voltage stress of the power device. Furthermore, the detection of short-circuit current is provided.Finally, a prototype is b

3、uilt to verify the design.礎設施：電網(wǎng)和燃線。同時具有兩種儲能：鋰電池和電池。采用了冗余變換器的結構提高電力裝置的可靠性。超級 UPS 系統(tǒng)中包含多個標準的 DC/DC 和DC/AC 發(fā)電單元。多個單元連接到公共的直流母線上，能否快速故障單元直接到系統(tǒng)的可靠性。由于超級 UPS 系統(tǒng)中多個單元之間連接直流母線導線較短，故障電流上升速度較快，因此，要求直流固態(tài)開關能夠快速檢測到故障電流KEY WORDS: Solid State DC Breaker; Super UPS; DC摘要：本文了超級 UPS 對固態(tài)斷路器的要求。然后，分析了固態(tài)斷路器設計需求。在此基礎上，設

4、計了一種固態(tài)斷路器，通過在壓敏電阻基礎上添加緩沖電路，分析不同緩并。否則，動作延時會造成直流母線電壓的跌落，影響供電質量。傳統(tǒng)機械開關的動作時間都在幾十毫秒左右，遠遠不能達到超級 UPS 系統(tǒng)的要求。沖電路參數(shù)取值對電壓應力的影響。并了固態(tài)開關的快速故障電流檢測路器。最后通過實驗樣機驗證了設計固態(tài)斷兩種能源關鍵負載：直流固態(tài)開關；超級UPS；直流保護Switch1引言不間斷電源（UPS）已經(jīng)被廣泛應用于通信基Switch電網(wǎng)冗余逆變器電池燃氣機站、數(shù)據(jù)、工業(yè)等對供電質量要燃道SwitchSwitchSwitch求很高的場合。隨著通信技術突飛猛進的發(fā)展， UPS 裝機容量越來越大。停電帶來的損失

5、也變得越來越大，因此，對 UPS 可靠性要求越來越高。這個需求，超級 UPS 概念被提出1，如圖 1所示。超級 UPS 比傳統(tǒng) UPS 可靠性有大幅提高。多種能源被集成在超級 UPS 系統(tǒng)中。它包含兩種SwitchH2O2SwitchSwitch電池圖 1 超級UPSLdc的能源輸入，這兩種能源具有的公共基短路點Vdc基 金 項 目 ：高 技術 研 究 發(fā) 展 計 劃 項 目 (863 計劃 )(2012AA053602, 2012AA053603)自然基金項目（ 51277163 ，51337009）高等學校博士學科點專項科研基金（20120101130010） National High

6、Technology Research and Development Program of863 Program (2012AA053602, 2012AA053603), the National圖2 采用壓敏電阻的固態(tài)開關Natural Science Foundation of(51277163 ， 51337009), and theSpecialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of(20120101130010).54RvQ電源學會第二十一屆學術年會集QLdc1uH短路點1uH母線電容V

7、dc± 375V1uH圖3 采用二級管+壓敏電阻的固態(tài)開關(b) 第二類故障固態(tài)開關相比機械開關的動作時間快，被應用于高壓直流輸電（HVDC），船舶電源以及直流微網(wǎng)中2-10。圖 2 是一種典型的固態(tài)直流開關的結1uH1uH的兩端并聯(lián)一個壓敏電阻（MOV）構。在11。文獻12如圖 3 所示，在1uH了另一種直流固態(tài)開關的結構配合二極管的結構。文獻母線電容± 375V13了應用于直流微網(wǎng)的固態(tài)開關和混合開關的結構，并比較了不同結構的關斷時間和損耗。(c) 第三類故障直流微網(wǎng)中的固態(tài)斷路器相比于超級 UPS 中的斷路器主要有兩個主要區(qū)別：1）微網(wǎng)中的線路阻抗遠大于超級 UPS

8、中的線路阻抗。超級 UPS 系統(tǒng)中，故障電流上升率很大。2）超級 UPS 要求保證負載供電質量，故要求開關動作時間很快，不能造成母線電壓大幅的跌落。1uH母線電容1uH1uH± 375V本文主要分析超級 UPS 系統(tǒng)中對固態(tài)開關的(d) 第四類故障圖4 超級UPS系統(tǒng)中的四類故障需求，超級 UPS 系統(tǒng)中直流固態(tài)開關的設計，并對固態(tài)開關結構進行優(yōu)化減小開關的關斷電壓應力。最后，通過實驗驗證固態(tài)開關的設計。以第一類故障為例，故障電流的表達式可以寫為，2超級 UPS 中固態(tài)開關需求分析在超級 UPS 中，有正負零母線，正母線與零母線間的電壓為 Vp ，零母線與負母線間的電壓為 Vn ，正

9、母線額定電壓 375V，負母線電壓-375V。系統(tǒng)有四種短路情況，分別是正母線與零母線短路、零母線與負母線短路、正負母線短路、所有母線短路，如圖 4 所示。 - R +- R -R2 L L2 LC t2 L L2 LC t2U (0)4(1)I (t) =×-e- eL2LLC在式（1）中U(0)是母線電容電壓的初始值，R 為短路電阻，L 是直流單元與直流母線電容的平均距離。C 是母線電容。表 1 為第一類故障發(fā)生時，系統(tǒng)的參數(shù)。第一類故障（正負母線短路）下，故障電流的變化如圖 5 所示。1uH母線電容1uH1uH表1 超級UPS中模塊與直流母線參數(shù)± 375V(a) 第

10、一類故障55Rv參數(shù)值半母線電壓 Vdc375V母線電容 Cdc10mF模塊與母線電容平均距離 Ldc1uH（長度,1m）短路電阻 Rs40m模塊額定功率 Pr100kW變換器+0-R2 - 4R2 - 4 變換器+0-變換器+0-變換器+0-電源學會第二十一屆學術年會集15k10k從圖 5 可以看出，當發(fā)生短路時，在 50 微秒之內，母線電壓從 750V 跌落到 710V，故障電流上升到 12kA. 傳統(tǒng)機械開關動作時間大概為幾十毫秒，母線早已跌落到 0. 固態(tài)開關動作時間越8k5k0.80 0.050.20.4t/ms0.6快，所需的電流容量就越小。第三類故障（半母線短路）下，故障電流和母

11、線電壓的變化如圖 6 所示。(b) 第三類故障下故障電流變化圖5 第三類故障下，故障電流、母線電壓變化5固態(tài)斷路器設計3.1 固態(tài)開關參數(shù)設計800710600由于系統(tǒng)具有正負零母線，所以需要正負母線400各裝一個固態(tài)斷路器。每個斷路器兩個反串200，兩端并聯(lián)壓敏電阻。固態(tài)斷路器的結構如圖 7 所示。00 0.050.20.40.60.8半母線額定電壓為 375V，當正負母線短路時，固態(tài)開關最多承受 750V 電壓。t/ms(a) 第一類故障下母線電壓變化固態(tài)斷路器的設計主要有三步：20k1）壓敏電阻的選取。半母線額定電壓 375， 選擇額定長時間工作電壓最接近的 EPCOS 公司的 S20K

12、300E2，長時間工作電壓 385V。壓敏電壓 470V。15k12k10k5k2)電流容量選擇。對于 100kW 模塊，額00 0.050.20.40.6t/ms0.8定輸出電流為 133A，考慮故障保護電流為額定電流的 10 倍，選擇 1500A 保護，流為額定電流 3-5 倍，故選擇 500A短時承受電。(b) 第一類故障下故障電流變化圖5 第一類故障下，故障電流、母線電壓變化3）耐壓選擇。根據(jù)已選的壓敏電阻參數(shù)500可知，當故障電流為 1500A 時，此時電壓為 950V，400356300考慮到與壓敏電阻之間的寄生參數(shù)，的電壓應力選擇為 1200V。200MOV100+-+-00.0

13、50.20.6+0.4t/msU10Super UPS直流母線直流直流變換器/交流直流變換器U2(a)第三類故障下母線電壓變化± 375V+-+MOV圖7 固態(tài)開關結構56母線電壓/V母線電壓/V故障電流/A故障電流/A模塊額定電流 Ir133A電源學會第二十一屆學術年會集在公式（2）中， Vth 驅動保護閾值電壓;Control驅動FaultFaultControlVcc供電電壓; V0 為 Cblanking 檢測電容初始電驅動檢測檢測1uH壓值； Cb 為檢測電容; Rb 為檢測電阻。短路檢測時間設置為 4 微秒。GG+CE EC母線電容9900uF± 375VU11

14、uHMOV03.3單元U2-MOV1uHCE EC當檢測單元檢測到故障電流后，兩個固態(tài)開關GG檢測檢測故障信號低有效的所有需要關斷保證模塊和系統(tǒng)安全。兩驅動驅動ControlControlFaultFault個固態(tài)開關共會產(chǎn)生 4 個故障保護信號。故障信號故障時變?yōu)?0，4 個信號做與運算，任何一個模塊保護信號產(chǎn)生，都會觸發(fā)短路故障保護信號， 短路保護信號會關閉其他固態(tài)開關。具體邏輯如圖 10 所示。驅動信號手動信號單元圖 8 固態(tài)開關框圖3.2 檢測單元固態(tài)開關的框圖如圖 8 所示檢測單1 故障信號保護信號元、單元和驅動單元。檢測單元在幾個微秒2 故障信號3 故障信號之內檢測到故障電流發(fā)出短

15、路保護信號，單4 故障信號驅動信號元主要接收模塊的主動號，關閉固態(tài)開關。信號和故障保護信使能信號圖 10單元結構4結構優(yōu)化檢測單元C緩沖網(wǎng)絡 RCD 加入固態(tài)開關用來降低固態(tài)開G關的電壓應力。最終固態(tài)開關的結構如圖 11 所示。EVCCMOV+-IhRblanking-+DESATCblanking圖11 壓敏電阻加緩沖RCD固態(tài)開關結構圖9 檢測單元MOV結構等效關斷模型MOV+RCD結構等效關斷模型I由于系統(tǒng)要求固態(tài)開關在數(shù)微秒之內動作，IC、E 之間的電壓用來檢測短路電流。當短iMOViMOV寄生電感iRCDCRCDiiuceuce路發(fā)生時，兩端電壓升高，當超過閥值時，寄生電感驅動發(fā)出短

16、路信號關斷。寄生電容寄生電容根據(jù)驅動的參數(shù)，短路電流和檢測時間的以表示為，圖 12 關斷模型對比V = V- (V-V )e æ -ö +tIh t(2)從圖 12 可以看出，壓敏電阻+緩沖網(wǎng)絡結構增ç÷thCCCC0R CCèb b øb大了兩端并聯(lián)電。在換流期間，大的57MOVMOVVIN+ VIN- VCC1GND1CHRESET316FAULT VLED1+VLED1-VE VLED2+ DESATIP:VCC2JVCVOUT VEEVEE驅動單元電源學會第二十一屆學術年會集電容能夠降低 MOV 支路中電流變化率。由于壓100

17、0敏電阻支路中寄生電感，小的電流變化率能夠降低電壓應力。900電壓（V） 800電壓過沖Iuce700iRCDiMOViiiMOVC理論曲線RCDiRCDuce600實測曲線iMOV變化率I5001´ 1031´ 10410100電流（A）圖 13 RCD+MOV 結構關斷時的換流波形圖 15 不同故障電流下的電壓應力根據(jù) MOV 的可以近似表達為，壓敏電阻的伏安特性在不同故障電流下，MOV 兩端電壓的實驗結果如圖 15 所示，當故障電流為 1500A 時，電壓應力為 930V。= 10k log(imov )+m ; k = 0.058, m = 2.787uMOV(3)

18、5.2 故障下保護波形根據(jù)圖 13 中的等效模型，換流過程中的壓敏電阻中電流，電壓應力可以表示為，ìduïC ce + iMOV= Idtílog(uce )-mï= 10îiMOVk(4)兩端并聯(lián)電容容在公式（4）中 C 是0值; I 是關斷電流; imov 是MOV 中的電流。RCD 參數(shù)中C 變化時，MOV 中電流的變化如圖 14 所示。從圖中可以看出，當 C 增加時，MOV(a) 第三類故障下故障波形中電流變化率減小，這意味著兩端的電壓藍線: 正母線斷路器紅線: 負母線斷路器uce1 uce2200V/div200V/div應力減小。當

19、故障電流為 800A，取 C 的2uF 比起80V。10000.1uF時，電壓應力可以減小940V890V0800io 200A/div600(b) 第一類故障下波形圖 16 故障保護波形電流400200從圖 16（a）中可以看出在第三類故障下， 當故障電流為 1300A 時，固態(tài)開關電壓應力為911V。母線電壓未發(fā)生跌落。000.511.5t/us圖 14 不同RCD 參數(shù)下，MOV 中電流變化大小5 實驗結果5.1 固態(tài)開關電壓應力當?shù)谝活惞收习l(fā)生時，兩個固態(tài)開關串聯(lián)。由于兩個并聯(lián)電容的差異，動態(tài)電壓應力不同。當開關動作后，兩個固態(tài)開關各承擔一半58MOVMOV/ACRCD=1uFCRCD

20、=0.5uFCRCD=2uF短路發(fā)生時刻開關關斷時刻uce 200V/div911Vio 200A/div電源學會第二十一屆學術年會集的母線電壓。當故障電流為 1200A 時，兩個固態(tài)開關的電壓應力分別為 940V 和 890V。故障保護線電壓未發(fā)生跌落。uce 100V/diviRCD740V5.3 改進結構下實驗波形iiMOV圖 17（a）可以看出 MOV+RCD 結構在 600A 故障電流下，比 MOV 結構電壓應力小 80V。當故障電流為 900A 時，優(yōu)化后的結構電壓應力降低 88V，如圖 17（b）所示。100A/div0(b) MOV+RCD 換流波形圖 18 MOV 結構與MO

21、V+RCD 結構換流過程比較藍線: RCD+MOV紅線: MOVuce 200V/div從圖 18（a）中可以看出 MOV 結構 MOV 中的電流變化率很大，電壓應力較大。從圖 18(b)820V740V可以看出，由于 RCD 的，MOV 中電流的變化率減小，電壓應力也減小。6結論本文設計得到了一種符合超級 UPS(一種高可靠直流微網(wǎng))需求的固態(tài)直流斷路器。得到了固0io 200A/div(a) 故障電流 600A 下，電壓應力比較態(tài)直流斷路器的設計，（功率器件選擇、緩沖電路選擇），最后設計的直流固態(tài)開關在短路電流 1500A 時，電壓應力為 930V，滿足了系統(tǒng)設計要求。藍線: RCD+MO

22、V紅線: MOVuce 200V/div882V794V參考文獻1Haijin Li; Wen Zhang; Dehong Xu, "High-reliability long-backup-time super UPS with multiple energy sources," Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2013 IEEE, vol., no., pp.4926,4933, 15-19 Sept. 2013Holaus, W.; Frohlich, K.: "Ultra-fast swi

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