基于SiC MOSFET直流固态断路器关断初期电压尖峰抑制方法.docx

基于SiCMOSFET直流固态断路器关断初期电压尖峰抑制方法
基于SiCMOSFET直流固态断路器关断初期电压尖峰抑制方法
摘要：
随着功率电子技术的不断发展，SiCMOSFET直流固态断路器作为新型的断路器已经被广泛地应用于交流/直流电力转换系统中。在断开负载电路时，SiCMOSFET直流固态断路器会产生一个短暂的电压尖峰。这个电压尖峰可能会损坏SiCMOSFET本身或系统中其他元器件。因此需要对SiCMOSFET直流固态断路器进行电压尖峰抑制，以确保设备的正常运行。
本文介绍了常用的SiCMOSFET直流固态断路器电压尖峰抑制方法，并对其进行了比较和分析。在此基础上，提出了一种基于辅助电源的电压尖峰抑制方法，并对其进行了模拟仿真验证。仿真结果表明，该方法可以有效地抑制电压尖峰，降低设备损坏风险。
关键词：SiCMOSFET直流固态断路器、电压尖峰、抑制方法、辅助电源
引言：
SiC（碳化硅）MOSFET直流固态断路器作为一种新型断路器，已经被广泛地应用于电力转换系统中，由于其低导通电阻、高开关速度、高温损耗小等优点，被广泛应用于新能源、电动汽车、工业自动化等领域。在实际应用过程中，因为负载电路的电感或电容元件等诱导效应，当断路器断开时，产生的电感电流或电容电压会使得断路器管上的电压瞬间发生变化，导致断路器出现电压尖峰。
这个电压尖峰可能会导致SiCMOSFET直流固态断路器本身或其他元器件损坏，从而影响系统的稳定性和可靠性。因此，对于SiCMOSFET直流固态断路器，抑制电压尖峰是非常重要的。
目前，常用的SiCMOSFET直流固态断路器电压尖峰抑制方法有外置元件抑制法、软开关法、电容储能法、环状电路法等。这些方法各有优缺点，应根据实际情况选择最适合的方法。本文主要介绍一种基于辅助电源的电压尖峰抑制方法，并对其进行仿真验证。
常用的电压尖峰抑制方法：
1.外置元件抑制法
在SiCMOSFET直流固态断路器管路上接入一个外置元器件，如二极管或电容器等，利用它们的自身特性和关断瞬间电感电流的能量来消除电压尖峰。该方法具有简单可行、成本低等优点，但是外置元件的选取和连接方式可能会影响整个系统的性能和可靠性。
2.软开关法
软开关技术是一种软件方式的电压尖峰抑制方法，通过改变开关管的导通和关断时序，控制开关电路中的元器件瞬态特性和压降，达到减小电压尖峰的方法。该方法优点在于不需要增加任何额外的硬件器件，但是缺点是需要对软件进行复杂的编程，且在高功率、高频率等环境下不经济，不可靠。
3.电容储能法
这种方法是在硅CarbideMOSFET直流断路器的负载端串联一个电容器，通过储存瞬间大的谐振能量而抑制电压尖峰。但是，这种方法需要制造配套的电容器，与已有的硅CarbideMOSFET直流断路器的封装结构不匹配，不利于增强设备的性能参数。
4.环状电路法
环状电路半桥（CLbridge）是通过添加两个交叉反向的电感器在开关器件之间构成环路，从而消除电压尖峰。优点在于不需要外置元件，抑制效果好，缺点是增加了交叉反向的电感器，连线复杂，不易实现。
基于辅助电源的电压尖峰抑制方法：
上述电压尖峰抑制方法各有优缺点，难以满足不同系统的需要。下面介绍一种基于辅助电源的电压尖峰抑制方法。
所述电压尖峰抑制方法中，通过在关断管的上、下极端各加一个辅助电源，提供一个充电路径，从而消除牛顿环短时产生的电磁应力，消除其电势能幅值的变化，降低因电势变化所产生的瞬变电流对瞬间电压尖峰的影响。
具体实现方法如下：
（1）在SiCMOSFET直流固态断路器的负载端（即输出端）设置一个开关管（如图1），与SiCMOSFET直流固态断路器并联。开关管关闭时，负载上的电感器将维持着一个电荷状态，而当开关时，电荷则会继续流过开关管。因此，如果在开关管打开的瞬间，给该开关管加上一个反向辅助电源（如V3），那么电荷就可以由V3提供的电源来吸收，不会形成瞬变电流，从而消除瞬间的电压尖峰。
图1：基于辅助电源的电压尖峰抑制方法示意图
（2）在SiCMOSFET直流固态断路器的正极端（即输入端）设置一个开关管（如图1），与SiCMOSFET直流固态断路器并联。当开关管打开时，输入端的电势配合开关管的电流变化，在开关管关断瞬间能够抑制电压尖峰。这里需要一个额外的电容器C3以缓冲电压波动并提供能量以实现输入端电势配合开关管时的电压变化。需要注意的是，输入端的电压变化会影响整个电路，应根据具体情况进行合理设置。
仿真结果：
为了验证所提出的基于辅助电源的电压尖峰抑制方法的有效性，进行了Simulink仿真。仿真模型如图2所示。采用功率为500V、电流为5A的SiCMOSFET直流固态断路器，输入端加载了一个5mH的电感器。图3和图4分别为输入端电流和输出端电压仿真结果。仿真结果表明，该方