丁銳，石新春

（華北電力大學(xué)新能源與電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定071003）

0 引 言

低壓直流電網(wǎng)具有電源轉(zhuǎn)換效率高、成本低、節(jié)約空間和供電可靠性高等一系列優(yōu)點(diǎn)，未來有望作為交流電網(wǎng)的重要補(bǔ)充而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用?，F(xiàn)今制約低壓直流電網(wǎng)發(fā)展的一個(gè)重要因素是直流斷路器。由于直流電弧沒有過零點(diǎn)，開斷較為困難。至今，所有商業(yè)化的直流斷路器均基于人為創(chuàng)造過零點(diǎn)的原理達(dá)到開斷直流電流的目的，它們常用于負(fù)荷電流的關(guān)合與開斷，而對(duì)短路電流的開斷能力很低。所以，如何提高直流斷路器的開斷容量成為了一道復(fù)雜的難題，這也是直流斷路器發(fā)展所面臨的一大挑戰(zhàn)。

另外，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)直流斷路器不僅能開斷故障電流，而且要求其速度遠(yuǎn)快于交流斷路器，以防止損壞昂貴的用電設(shè)備。缺乏能快速可靠切斷短路電流的直流斷路器始終是一大瓶頸，制約著低壓直流電網(wǎng)的快速發(fā)展，因此，研發(fā)具有可靠、快速切斷短路電流的直流斷路器已成為緊迫的任務(wù)。現(xiàn)有材料在研制斷路器時(shí)很難同時(shí)滿足開斷容量和開斷時(shí)間的需求。近些年隨著碳化硅MOSFET研究的不斷成熟，其具有低導(dǎo)通阻抗、擊穿電壓高、耐高溫、開斷速度快等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注，其優(yōu)異的開斷性能有望作為研制低壓直流斷路器的理想選擇［1-4］。

1 直流斷路器工作電壓等級(jí)

電壓等級(jí)是低壓直流電網(wǎng)的重要因素。目前，按照交流配電網(wǎng)的電壓等級(jí)確定直流配電網(wǎng)的電壓等級(jí)，可分為：（1）12 V-24 V：家庭或者辦公場(chǎng)所供電，如為筆記本電腦、顯示器和電視機(jī)等低功率負(fù)載供電；（2）48 V：用在通信部門，為部分通信設(shè)備供電；（3）220 V：對(duì)應(yīng)單相220 V交流電源電壓有效值，一些額定電壓為220 V的交流電阻性負(fù)載（如加熱器）可以直接運(yùn)行在該電壓等級(jí)的直流配電網(wǎng)中；（4）240 V：通信用直流供電系統(tǒng)電壓等級(jí)，用來代替220 V交流電和傳統(tǒng)UPS結(jié)合的供電方式，既安全可靠又經(jīng)濟(jì)節(jié)能；（5）310 V：對(duì)應(yīng)單相220 V交流電源峰值電壓，與大電容濾波整流電路輸出的直流電壓相當(dāng)，此電壓等級(jí)能兼容部分現(xiàn)有負(fù)載；（6）400 V：對(duì)應(yīng)380 V交流電壓有效值；（7）500 V-550 V：對(duì)應(yīng)380 V交流電三相整流后的直流電壓，連接變頻器可為380 V電動(dòng)機(jī)供電，其中點(diǎn)可分為半電壓250 V供大多數(shù)220 V電器使用［5-6］。因此，低壓直流電網(wǎng)電壓取500 V，三端供電應(yīng)是照明與動(dòng)力合用的最佳選擇。此外，MOSFET的操作過電壓約為其實(shí)際工作電壓的2倍，故擊穿電壓為1.2 kV的MOSFET用于500 V直流電路較為可行和安全。

絕緣是影響直流斷路器工作電壓等級(jí)選取的一個(gè)重要因素。大多數(shù)絕緣材料含有很多不同的介質(zhì)，當(dāng)加交流電壓時(shí)，電壓按材料的介電常數(shù)和尺寸等參數(shù)的比例來分配，而直流電壓只按材料的電阻比例來分配。交流電壓比直流電壓更容易發(fā)生熱擊穿，通常直流耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓要比交流耐壓試驗(yàn)電壓高［7］。在GB 755-2008與IEEE標(biāo)準(zhǔn)95均規(guī)定：多數(shù)情況下同一絕緣體直流耐壓與交流耐壓的試驗(yàn)電壓之比為1.7。因此，380 V三相交流電的絕緣材料完全可以滿足500 V直流電壓絕緣的需求，而不需要采用新的絕緣材料［8］。

用戶的用電安全也是直流電壓等級(jí)選取的另一個(gè)重要指標(biāo)，在現(xiàn)今交流220 V的工作環(huán)境下，其安全事故發(fā)生率特別是涉及生命安全的發(fā)生率仍在可接受范圍內(nèi)。若有人發(fā)生觸電后能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，通常不會(huì)危及到生命。對(duì)人體不引起有害生理效應(yīng)的最大容許安全電流值直流約為交流的3倍，直流為30 mA，交流為10 mA［9］。人對(duì)直流的抵抗力和擺脫能力也均強(qiáng)于交流，對(duì)工頻電流的擺脫能力男性約為16 mA，女性約為10.5 mA（平均）。對(duì)直流電流的擺脫能力男性約為76 mA，女性約為51 mA（平均）［10］。因此，相較于220 V交流電500 V直流電具有更高的用電安全性。

2 直流電路模型中各元件參數(shù)的確定

一個(gè)簡(jiǎn)單的低壓直流電路應(yīng)該包括直流電源、斷路器和直流負(fù)載，其簡(jiǎn)化模型如圖1所示：

圖1 簡(jiǎn)易低壓直流電路模型Fig.1 Simple model of low voltage DC circuit

為更準(zhǔn)確地了解斷路器的工作環(huán)境，需要確定各元件的大致參數(shù)來模擬斷路器的具體工作場(chǎng)景。

2.1 電源電壓及內(nèi)阻的確定

電源電壓取斷路器的工作電壓500 V?？紤]到當(dāng)今居民家用電器的功率基本不會(huì)超過3 kW。因此，需要保證該MOSFET斷路器在額定電壓為500 V和工作電流為6 A時(shí)，且當(dāng)負(fù)載發(fā)生短路故障時(shí)也能正常工作。此外，直流電源的供電效率一般不低于95%，可據(jù)此估算直流電源的內(nèi)阻大小。

式中P0=3 000W；I=6 A，由上式可算出電源內(nèi)阻r≤4.39Ω，為便于計(jì)算電源取最低效率，此時(shí)其內(nèi)阻為4.39Ω。其中，η表示電源供電效率；P0為電源輸出功率；P1表示電源輸入功率；I為電路中電流；r為電源內(nèi)阻。故可用幅值為500 V內(nèi)阻為4.39Ω的直流電源來代替圖1模型中的直流電源。

2.2 導(dǎo)線參數(shù)的估算

根據(jù)居民家庭的實(shí)際情況，圖1模型中的導(dǎo)線可用長(zhǎng)度為100m的單回銅芯導(dǎo)線代替，此長(zhǎng)度基本能滿足各種家用需要。根據(jù)國(guó)際IEC 60335家用電器安全第一部分：通用要求中的規(guī)定［11］：額定電流大于3 A小于6A的電器可以采用截面為0.75 mm2～1 mm2的銅芯導(dǎo)線；額定電流大于6 A小于10 A的電器可以采用截面為1 mm2～1.5 mm2的銅芯導(dǎo)線。為了安全考慮此處可選用1.5 mm2的銅芯導(dǎo)線。據(jù)此可計(jì)算出導(dǎo)線的電阻及電感大小（此處不考慮線路間的耦合和其他因素影響）。

式中ρ=0.017 5Ω.mm2/m是銅電阻率；R是導(dǎo)線的電阻；l=100 m是導(dǎo)線的長(zhǎng)度；s=1.5 mm2是導(dǎo)線截面積；L是導(dǎo)線電感；μ0=4π*10-7H/m是真空電導(dǎo)率；r是導(dǎo)線半徑，據(jù)此可算出R=1.17Ω，L=236.4μH。

2.3 直流負(fù)載的選取

直流負(fù)載有很多種，此處選取家庭用電功率最大制冷時(shí)額定功率為3 kW的變頻空調(diào)。查閱格力廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品具體參數(shù)可知，變頻空調(diào)在正常工作時(shí)電阻約為80Ω，電感部分來源于空調(diào)變頻器中的電抗器。其中，輸入端電抗器的電感為1.4 mH，輸出端電抗器中的電感為0.7 mH。負(fù)載中其他電感及濾波電容忽略不計(jì)。故負(fù)載部分可用一個(gè)電感為2.1 mH和一個(gè)阻值為80Ω的電阻等效代替。因此，將圖1所示的低壓直流電網(wǎng)簡(jiǎn)化模型具體化如圖2所示（此電路不包括MOSFET的驅(qū)動(dòng)部分）。

圖2 簡(jiǎn)單低壓直流電路Fig.2 Simple low voltage DC circuit

式中直流電源E=500 V；r=4.39Ω為電源內(nèi)阻；R1=1.17Ω是導(dǎo)線的電阻；L1=236.4μH為導(dǎo)線的電感；R2=80Ω是負(fù)載工作時(shí)的電阻（此處不考慮溫度對(duì)負(fù)載電阻的影響）；L2=2.1 mH為負(fù)載電感大小。

3 斷路器分?jǐn)鄷r(shí)過電壓分析

在圖2電路中碳化硅MOSFET選用型號(hào)為CMF20120D，其中VDS=1 200 V，ID（MAX）=42 A，RDS（on）=80 mΩ。因此，需要保證該 MOSFET在斷開電路各種狀態(tài)時(shí)，電路中的瞬時(shí)過電壓都不能超過其擊穿電壓1 200 V。

3.1 斷開正常工作時(shí)的過電壓

在圖2的低壓直流電路中，電路工作時(shí)的電流為6 A，MOSFET斷開電路時(shí)的過電壓U方程為：

由式（5）可知，MOSFET的開斷過電壓不僅受電路中的電流和電感影響，還受MOSFET自身開斷時(shí)間長(zhǎng)短的影響。影響MOSFET開斷時(shí)間的主要因素是柵極驅(qū)動(dòng)電阻，柵極驅(qū)動(dòng)電阻越大會(huì)引起柵極電流明顯減小，導(dǎo)致器件輸入電容的充放電速度明顯下降。因此，可以適當(dāng)?shù)卦龃髺艠O驅(qū)動(dòng)電阻來延長(zhǎng)MOSFET的關(guān)斷時(shí)間［12］。綜合考慮斷路器的開斷速度和其開斷過電壓，可以選擇合適的驅(qū)動(dòng)電阻使其開斷時(shí)間在50μs左右，既滿足斷路器快速切斷電路的要求也不引起過大的開斷過電壓。由（5）式計(jì)算可知分?jǐn)嗾９ぷ鲿r(shí)過電壓約為780.37 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其擊穿電壓1 200 V。

3.2 分?jǐn)喽搪饭收蠒r(shí)的過電壓計(jì)算

當(dāng)圖2所示系統(tǒng)發(fā)生負(fù)載短路故障時(shí)，其短路電流I可由式（7）計(jì)算。

系統(tǒng)發(fā)生短路時(shí)MOSFET斷開時(shí)的過電壓為：

由式（8）可得U=925.18 V。終上所述，當(dāng)控制MOSFET的關(guān)斷時(shí)間在50μs時(shí)，擊穿電壓為1.2 kV的碳化硅MOSFET可以正常開斷500 V直流電路的任何狀態(tài)，并使得MOSFET的過電壓不至于過高而影響器件乃至整個(gè)系統(tǒng)的安全，50μs的關(guān)斷時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于交流開關(guān)的動(dòng)作時(shí)間可以更好地保護(hù)用電設(shè)備。因此，擊穿電壓為1.2 kV的碳化硅MOSFET用于500 V直流電路是完全可行的。

4 低壓直流電路模型的仿真分析

利用saber軟件強(qiáng)大的建模和仿真能力，通過CMF20120D碳化硅MOSFET自身的等效電路和生產(chǎn)廠家提供的實(shí)際參數(shù)和datasheet來建立模型，并模擬其在500 V直流電路中實(shí)際工作情形，觀察MOSFET在關(guān)斷電路正常工作和短路狀態(tài)時(shí)的分?jǐn)噙^電壓，來驗(yàn)證理論設(shè)想的可行性。

Saber軟件下的 MOSFET等效電路圖如圖3所示。

圖3 MOSFET等效電路Fig.3 MOSFET equivalent circuit

圖3中，為內(nèi)部門極電阻，Rd為漏極電阻，Rs為源級(jí)電阻，三個(gè)極間電容滿足以下關(guān)系：

等效電路中的并不影響器件的開關(guān)特性，MOSFET相應(yīng)的靜態(tài)參數(shù)可以通過器件的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性獲得，其相應(yīng)的動(dòng)態(tài)特性需要從器件手冊(cè)中Crss，Coss，Ciss和Vgs關(guān)系曲線獲得。再通過 saber軟件中的描點(diǎn)建模法將特性曲線和參數(shù)導(dǎo)入要建立的碳化硅MOSFET模型中，完成建模。接下來建立圖4的測(cè)試仿真電路。

圖4 簡(jiǎn)易測(cè)試電路Fig.4 Simple test circuit

電路正常工作時(shí)MOSFET斷開，其二端的分?jǐn)噙^電壓如圖5所示。

從圖中可看出，MOSFET約從0.497 40 s開始關(guān)斷，至0.497 45 s左右關(guān)斷結(jié)束，整個(gè)持續(xù)時(shí)間約為50μs，分?jǐn)噙^電壓的最大值約為808.57 V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于MOSFET的擊穿電壓1 200 V。不會(huì)對(duì)斷路器的安全工作帶來隱患。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，由于短路電流很大，此時(shí)容易引起很大的分?jǐn)噙^電壓，是對(duì)斷路器能否穩(wěn)定可靠安全的切斷電路的重大考驗(yàn)，其分?jǐn)噙^電壓仿真波形如圖6所示。

圖5 分?jǐn)嗾９ぷ鲿r(shí)的波形Fig.5 Waveform of on the breaker normal working conditions

圖6 分?jǐn)喽搪饭收蠒r(shí)的波形Fig.6 Waveform of the breaker short circuit fault

仿真結(jié)果顯示，短路時(shí)由于短路電流較大，此時(shí)分?jǐn)噙^電壓的峰值大于分?jǐn)嗾９ぷ鲿r(shí)的過電壓，分?jǐn)噙^電壓峰值為1 084.6 V，仍在安全范圍之內(nèi)。仿真結(jié)果比理論計(jì)算結(jié)果的過電壓數(shù)值大，有一定誤差，誤差與MOSFET自身的雜散電感，以及實(shí)際關(guān)斷時(shí)間略低于50μs等因素有關(guān)，誤差在允許范圍內(nèi)可以接受。

5 兩種過電壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

為了防止在某些特殊情況下，碳化硅MOSFET的開斷過電壓過大有可能超過其擊穿電壓1 200 V引起MOSFET的損壞，需要在電路中增加保護(hù)元件保護(hù)MOSFET更加安全可靠地工作?，F(xiàn)設(shè)計(jì)兩種驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，第一種如圖7所示。

圖中為驅(qū)動(dòng)電阻，U為壓敏電阻，其敏感電壓為900 V。當(dāng)MOSFET二端過電壓達(dá)到900 V時(shí)，壓敏電阻導(dǎo)通來保護(hù)MOSFET不被擊穿，為限流電阻可以取100Ω，作用是當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)被開關(guān)斷開時(shí)，其二端電壓仍能維持MOSFET在導(dǎo)通和關(guān)斷的臨界狀態(tài)，來釋放電路儲(chǔ)能元件中儲(chǔ)存的能量，此處可以取1.7Ω。圖中其他元件參數(shù)不變，短路時(shí)的仿真結(jié)果如圖8所示。

圖7 過電壓保護(hù)電路（1）Fig.7 Overvoltage protection circuit（1）

圖8 過電壓保護(hù)（1）分?jǐn)噙^電壓波形Fig.8 Overvoltage protection（1）split off overvoltage waveform

仿真結(jié)果表明增加壓敏電阻保護(hù)后，其分?jǐn)喽搪愤^電壓最大值只有972.55 V，遠(yuǎn)低于不加保護(hù)時(shí)的1 084.6 V，且此時(shí)的關(guān)斷時(shí)間約為60μs不影響開關(guān)的快速動(dòng)作。因此，采用這種過電壓保護(hù)能使碳化硅MOSFET在500 V直流電路中更加安全穩(wěn)定的工作。

第二種利用壓敏電阻的過電壓保護(hù)電路是將壓敏電阻直接并聯(lián)在MOSFET二端，如圖9所示。

圖9 驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路（2）Fig.9 Driven protection circuit（2）

壓敏電阻的敏感電壓仍為900 V，當(dāng)分?jǐn)噙^電壓超過900 V時(shí)，壓敏電阻導(dǎo)通將MOSFET直接短路來保護(hù)MOSFET，此時(shí)由壓敏電阻來消耗電路中電感元件儲(chǔ)存的能量W=0.5·L·I2=9.45 J，現(xiàn)在市場(chǎng)上壓敏電阻2ms的能量耐量可達(dá)720 J完全滿足需求。采用該驅(qū)動(dòng)保護(hù)時(shí)的分?jǐn)喽搪愤^電壓仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 驅(qū)動(dòng)保護(hù)（2）分?jǐn)噙^電壓波形Fig.10 Driven protection（2）split off overvoltage waveform

與第一種過電壓保護(hù)相比，第二種過電壓保護(hù)在分?jǐn)嚯娐返臅r(shí)間上基本一致，但分?jǐn)鄷r(shí)過電壓的最大值為934.64 V，略低于第一種。同時(shí)電路中儲(chǔ)能元件儲(chǔ)存的能量完全由壓敏電阻消耗不由MOSFET來承擔(dān)，雖然壓敏電阻體積略大但對(duì)MOSFET的保護(hù)更加可靠。

6 結(jié)束語(yǔ)

碳化硅MOSFET的優(yōu)越性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于目前市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的硅MOSFET，其優(yōu)良的開關(guān)特性非常適用于制作斷路器，從理論和仿真結(jié)果也證明了市場(chǎng)上的擊穿電壓為1.2 kV的碳化硅MOSFET完全可以應(yīng)用于500 V的直流斷路器，隨著碳化硅MOSFET研究的不斷成熟，其必將為直流斷路器的研究開啟一個(gè)新的篇章。