基于MOSFET的限流式固态断路器及其过电压抑制

中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院的研究人员卢其威、高志宣、滕尚甫、雷婷、何棒棒，在2017年第24期《电工技术学报》上撰文，针对低压交流场合，对基于功率MOSFET的限流式固态断路器关断过程中的开关管两端电压、主电路中电流变化规律进行详细的理论分析，并提出一种过电压抑制电路。

在分析其工作原理的基础上，给出电路参数选择的理论依据。最后，研制一台额定输入电压为220V、限流值为150A的基于MOSFET并联的固态断路器，并进行实验验证。对研发应用在低压交流场合的限流式固态断路器起到较好的理论指导作用。

断路器是电力系统输电和配电环节中的重要电气设备。传统的机械式断路器尽管导通稳定、带载能力强，但是存在开断时产生电弧、断开时间长、无法限制短路电流等明显缺点[1-3]。由此产生了过大的短路电流及过长的断开时间，这往往就是一个重大的火灾隐患。

在分布式电源系统中，由于大量使用电力电子设备导致线路阻抗较小，短路电流增长极为迅速，如果断开时间较长，过大的电流对线路可能造成损坏[4]。受机械式断路器断开机理的影响，当负载端短路时往往会引起上一级甚至更高一级的断路器跳闸，容易扩大事故范围，影响供电的安全性[5]。

除此之外，由于短路时短路点电压跌落明显，如果不能快速切断，也将影响其他负载的供电质量[6]。因此具有限制短路电流且能够快速切断线路故障的固态断路器将具有广阔的应用前景。

固态断路器（Solid State Circuit Breaker, SSCB）采用电力电子器件作为分断器件，具有无机械触头、无电弧、寿命长、速度快等优点[7-13]，得到了学术界和工业界持续不断的研究和关注。

固态断路器的发展水平与电力电子器件技术密切相关，从最初的采用半控型器件晶闸管（SiliconControlled Rectifier, SCR）作为分断器件的固态断路器发展到采用IGBT、MOSFET、GTO、IGCT、IEGT等全控型器件作为分断器件的固态断路器[13]，电压等级也从低电压小电流向高电压大电流方向发展。

近些年人们相继提出了多种交直流固态断路器结构和拓扑，并在柔性交流输电（Flexible AlternativeCurrent Transmission Systems, FACTS）、柔性直流输电（HVDC）、微网（Micro-Grid, MG）[14-23]等场合得到应用。固态断路器随着器件技术水平的提高而不断发展，其功能越来越多，应用范围越来越广。但是目前固态断路器的分断器件大多采用SCR、GTO、IGCT、IGBT等电力电子器件[13-25]。

基于SCR的固态断路器只能在过零点关断，限制短路电流能力有限[25]。基于GTO、IGCT、IGBT的固态断路器，在实现交流双向控制时，需将功率开关管串联电力二极管后再进行反向并联，这样使结构复杂，并且增加额外开关管损耗[9,16,17,25]。

而MOSFET的优点在于具有双向导电性，只需两个器件反向串联，便可实现交流双向控制，并联能力强，可进一步降低通态损耗，扩大开断容量，更适用于低电压场合。然而，针对基于MOSFET的交流固态断路器关断时电压电流变化规律、固态断路器关断时间与线路参数的关系等问题还缺乏系统的分析。

本文在对上述问题进行理论分析基础上，提出了一种抑制过电压的保护电路，并给出了电路参数选择的理论依据及计算公式。最后研制了一台额定输入电压为220V、限流值为150A的基于MOSFET并联的固态断路器，并进行了实验验证。

图1 基于MOSFET固态断路器单相等效电路

图14 固态断路器实物

图17 防火性能效果

结论

本文分析了基于MOSFET的限流式固态断路器的关断过程，对其开关管两端电压、主电路电流下降时间、开关管反并联二极管、线路电感、关断时刻电源电压之间的关系进行了详细的理论分析。

同时，提出了一种应用于基于MOSFET的限流式固态断路器的过电压抑制电路，并给出了电路参数选择的理论依据及计算公式。最后，制作了一台额定输入为220V、限流值为150A基于MOSFET并联的固态断路器，验证了关断过程理论分析和过电压抑制电路RC参数选择理论依据的正确性。

同时实验验证了固态断路器在预防电气火灾、减小短路时电压恢复时间、防越级跳闸方面的优越性能。本文对研发应用在低压交流场合的限流式固态断路器将起到较好的理论指导作用。