基于GaN器件的直流固态断路器研究

摘要

随着直流微电网的发展，直流断路器作为关键的保护设备受到业界的高度关注。但传统的机械式直流断路器在响应时间、电弧等方面的不足，降低了直流断路器的保护能力。为了达到直流断路器的性能要求，满足不同电压等级的应用需求，直流固态断路器(Soild-State Circuit Breaker，SSCB)具有快速准确的中断特性，更受到研究学者的青睐。本文结合第三代半导体GaN器件的优势，研究了一种基于GaN器件的限流式直流固态断路器，用于检测、中断、保护不同的电路故障。　　首先研究了GaN器件的性能参数，在对GaN器件的基本结构和工作导通原理介绍的基础上，结合SiMOSFET，对比分析了GaN器件的静态特性和动态特性，并通过仿真测试阐述了GaN器件相对于SiMOSFET的开关优势。　　其次考虑GaN器件在直流固态断路器中的应用场合，分析了GaN器件在硬开关故障下的短路工作原理和不同电路参数对GaN器件短路行为参数的影响，对基于GaN器件的直流固态断路器研究具有一定的指导作用。　　而后研究了以Buck变换器为主工作电路的直流固态断路器方案，包括拓扑结构和控制原理分析。针对涌流故障造成的断路器误关断问题，详细介绍了导通、限流、关断三种工作模式及其转换方式。此外还分析了故障电流控制方案，通过双阈值电流保护控制实现高阻抗过流、低阻抗短路故障的分段保护；并与PWM/PFM限流控制结合，能有效限制峰值电流，避免了故障电流过高、上升速度过快对电路设备造成的冲击。　　最后根据基于GaN器件的直流固态断路器控制方案，分析了参数选取原则，并搭建仿真模型，仿真结果表明该断路器能在启动、高阻抗过流和低阻抗短路工况下实现电路快速限制和准确分断动作。随后制作了基于GaN器件的直流固态断路器样机，通过数字程序编写、硬件电路设计和整机调试，搭建了实验平台，对实验样机的过电流故障检测和中断保护能力进行了测试。

目录

声明

第1 章 绪论

1.1 研究背景与研究意义

1.2 直流断路器的分类

1.3 国内外研究现状分析

1.3.1 直流固态断路器的研究现状分析

1.3.2 直流固态断路器过电流限制技术研究现状

1.4 GaN的性能优势

1.5 本文的研究内容

第2 章 GaN 器件的特性及参数分析

2.1 GaN 器件的分类和基本结构

2.2 GaN 器件的工作原理

2.3 GaN器件的静态特性

2.3.1 输出特性分析

2.3.2 转移特性分析

2.4 GaN器件的动态特性

2.4.1 开关特性分析

2.4.2 GaN器件与Si MOSFET动态特性仿真对比分析

2.5 本章小结

第3 章 GaN 器件的短路行为分析

3.1 GaN器件的短路机理

3.2 不同电路参数对GaN器件短路行为的影响

3.2.1 直流电压VDC

3.2.2 驱动电阻RG

3.2.3 驱动电压VGS

3.2.4 回路寄生电感Ls

3.3 本章小结

第4 章基于GaN 器件的直流固态断路器方案研究

4.1 基于GaN器件的直流固态断路器拓扑结构与控制原理分析

4.1.1 拓扑结构

4.1.2 工作原理

4.1.3 工作模式与转换方式

4.2 基于GaN器件的直流固态断路器电流控制方案分析

4.2.1 双阈值电流保护控制

4.2.2 峰值电流限制控制

4.3 本章小结

第5 章基于GaN 器件的直流固态断路器建模与仿真研究

5.1 基于GaN器件的直流固态断路器主要参数设计

5.1.1 电流整定时间Tset

5.1.2 关断时间toff

5.2 基于GaN器件的直流固态断路器仿真与分析

5.2.1 仿真参数配置

5.2.2 故障工况模拟与分析

5.3 本章小结

第6 章基于GaN 器件的直流固态断路器样机设计及实验测试

6.1 功率电路设计

6.2 控制电路设计

6.2.1 主控制器

6.2.2 采样电路

6.2.3 驱动电路

6.2.4 辅助电源

6.2.5 耗能限压电路

6.2.6 PCB布局设计

6.3 实验结果

6.3.1 驱动信号测试

6.3.2 故障检测及中断保护测试

6.4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及科研成果