基于新型碳化硅MOSFET的低压直流断路器研究

摘要

低压直流断路器(LVDC breaker, low voltage direct current breaker)的作用是在低压直流电路发生故障、过载或不正常运行时断开电路。低压直流断路器主要应用于低压直流配电网中，近年来，随着科技的不断发展，直流配电可以带来更高的电能质量，使得直流的应用范围更加广泛，而直流断路器是支撑直流配电网安全稳定运行的关键部分，因此直流断路器一直是近几年的研究热点。
　　近些年直流断路器的性能已逼近 Si材料的极限，若要研制出性能更优越的断路器则需要采用新的半导体材料，随着近几年碳化硅材料研究的不断成熟，其具有低导通损耗、耐高温、高频和开断速度快等优点，将其与硅MOSFET和IGBT比较后发现，碳化硅MOSFET特别适合作为开关元件用于直流断路器中。
　　本文的主要工作是研究击穿电压为1.2kV的碳化硅MOSFET用于500V直流断路器的可行性，并在此基础上尝试样机试制。论文首先介绍了直流断路器的研究背景和研究现状，以及碳化硅 MOSFET优异的性能；其次介绍了当前三大主流直流断路器的工作原理及其优缺点；然后从材料属性、直流电压等级、绝缘和用电安全等多角度来确定本文设计的断路器的工作电压500V；接着详细介绍了SiC-MOSFET开通和关断过程中的电路特性，以及用 Saber软件实现SiC-MOSFET建模的具体过程；接着搭建了简易低压直流电路模型，并估算模型中各元件的参数；然后利用该模型分析了碳化硅 MOSFET在开断电路正常工作和故障时的过电压大小，并在此基础上设计了二种过电压保护电路保证SiC-MOSFET的安全可靠工作，并对二种过电压保护电路优缺点进行比较；最后完成断路器中主电路、过电压保护电路、电流检测电路、控制电路和驱动电路五个部分的设计，然后依据电路图完成样机的试制。
　　本文设计的断路器开断容量较小，体积较大，通过后续的不断改进和完善有望实现该断路器在实际生活中的应用。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 直流断路器的研究背景

1.2 直流断路器的研究难点

1.3 直流配电网的发展现状

1.4 碳化硅MOSFET的发展及应用

1.5 本文主要工作

第2章 直流断路器工作原理和工作电压等级的确定

2.1 直流断路器的工作原理

2.2 三种常见直流断路器的比较

2.3 直流断路器工作电压等级的确定

2.4 本章小结

第3章 碳化硅MOSFET的电路特性和saber软件建模

3.1 MOSFET动态参数介绍

3.2 开断过程分析

3.3 碳化硅功率MOS的优点

3.4 基于saber软件的碳化硅MOSFET模型建立

3.5 本章小结

第4章 碳化硅MOSFET用于直流断路器的可行性分析

4.1 简易直流电路模型的建立和参数估算

4.2 MOSFET分断电路时的过电压分析

4.3 过电压保护电路的设计

4.4 本章小结

第5章 低压直流断路器的电路和样机设计

5.1 主电路的设计

5.2 检测电路的设计

5.3 控制电路的设计

5.4 驱动电路的设计

5.5 样机试制

5.6 本章小结

第6章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

攻读硕士学位期间参加的科研工作