固态断路器及其控制方法与流程

1.本公开涉及一种固态断路器和用于该固态断路器的控制方法。


背景技术：

2.固态断路器采用半导体电力开关作为分断单元。由于一个半导体电力开关的额定电流有限，为了满足断路器的额定电流，分断单元通常采用多个半导体电力开关并联的方式。然而，当固态断路器所在系统的电流因为满载、过载等原因而比较大时，流过单个半导体电力开关的电流也比较大，单个半导体电力开关的温度在单位时间内上升比较多，固态断路器的散热器的散热效率可能无法避免半导体电力开关因散热不及时而被损坏。


技术实现要素：

3.鉴于以上情况，本公开的一方面提供了一种固态断路器，包括：分断单元和控制单元。该分断单元包括并联的多个半导体电力开关。该控制单元用于控制所述多个半导体电力开关的关断或导通，使得轮流地关断所述多个半导体电力开关中的预定数量的半导体电力开关，并导通剩余的半导体电力开关。其中，所述剩余的半导体电力开关的额定电流之和不小于所述固态断路器的额定电流。
4.与本公开的一方面结合地，各个半导体电力开关单次被导通的时长相等。
5.与本公开的一方面结合地，各个半导体电力开关单次被导通的时长与其发热系数之积相等。
6.与本公开的一方面结合地，所述控制单元包括控制信号产生单元，用于产生与所述多个半导体电力开关一一对应的多路控制信号来控制所述多个半导体电力开关的导通或关断。
7.与本公开的一方面结合地，所述控制单元还用于在所述固态断路器所在系统的电流上升速度达到阈值的情况下还导通所述预定数量的半导体电力开关中的一个或多个。
8.与本公开的一方面结合地，所述多路控制信号是脉冲周期相同的脉冲信号。
9.本公开的另一方面提供了一种用于固态断路器的控制方法，所述固态断路器包括用于分断所述固态断路器的并联的多个半导体电力开关，所述控制方法包括：控制所述多个半导体电力开关的关断或导通，使得轮流地关断所述多个半导体电力开关中的预定数量的半导体电力开关，并导通剩余的半导体电力开关，其中，所述剩余的半导体电力开关的额定电流之和不小于所述固态断路器的额定电流。
10.根据本公开实施例的固态断路器及其控制方法可以降低固态断路器中单个半导体电力开关的发热。
附图说明
11.通过下面结合附图对本公开的描述，本公开的这些和/或其他方面、特征和优点将变得更加清楚和容易理解，其中：
semiconductor field effect transistor,mosfet)，等等。又例如，可以是gan功率半导体器件或sic功率半导体器件，等等。半导体电力开关110至150的类型可以相同也可以不同，但是出于电路设计方便的目的，通常使它们属于相同的类型。
26.半导体电力开关110至150的规格可以相同或不同，例如，它们可以具有相同或不用的额定电流等等。
27.控制单元22用于控制多个半导体电力开关110至150的关断或导通，使得轮流地关断多个半导体电力开关110至150中的预定数量的半导体电力开关，并导通剩余的半导体电力开关，其中，剩余的半导体电力开关的额定电流之和不小于固态断路器的额定电流。下面结合图3来说明控制单元22轮流关断和导通多个半导体电力开关的操作的一个示例。
28.图3示出了根据本公开实施例的轮流关断和导通多个半导体电力开关的操作的一个示例。
29.参照图3，多个半导体电力开关110至150中的任意4个半导体电力开关导通都能满足分担系统的额定电流ir的需求。在此情况下，控制单元22选择轮流关断多个半导体电力开关110至150中的一个半导体电力开关而导通剩余的四个半导体电力开关。
30.例如，控制单元22首先关断半导体电力开关110而导通半导体电力开关120至150；间隔第一预定时间间隔δt1后，关断半导体电力开关120、导通半导体电力开关110且保持半导体电力开关130至150导通；间隔第二预定时间间隔δt2后，关断半导体电力开关130、导通半导体电力开关120且保持半导体电力开关110、140和150导通；间隔第三预定时间间隔δt3后，关断半导体电力开关140、导通半导体电力开关130且保持半导体电力开关110、120和150导通；间隔第四预定时间间隔δt4后，关断额外半导体电力开关150、导通半导体电力开关140且保持半导体电力开关110至130导通，至此，所有半导体电力开关110至150均被遍历地关断一次；间隔第五预定时间间隔δt5之后，再重复前述操作。取决于控制单元120对各个半导体电力开关采用的控制方式(例如，下文结合图4和图5描述的)，第一至第五预定时间间隔δt1至δt5可以相同也可以不同。需要说明的是，固态断路器20中的多个半导体电力开关被关断的顺序是随机地、任意地，这里所描述的顺序仅仅是为了举例说明。
31.如此，固态断路器20中的多个半导体电力开关110至150轮流被导通和关断，每个半导体电力开关在被导通期间累积的热量将在被关断期间得以消散全部或一部分。相比于图1中示出的根据现有技术的固态断路器10中的半导体电力开关110至140持续发热，根据本公开实施例的固态断路器20中的每个半导体电力开关110至150的发热时间减少了，每个半导体电力开关由于瞬时温度较高而造成损坏的可能性也降低了。
32.如前所述的，取决于控制单元22对分断单元21中的各个半导体电力开关采用的控制方式，第一至第五预定时间间隔δt1至δt5可以相同也可以不同。下面结合图4和图5分别描述控制单元22采用的两种控制方式，但这并不意味着控制单元22只有这两种控制方式，能实现等同效果的其他控制方式也是可能的。
33.图4示出了图2中的控制单元对各个半导体电力开关的控制方式的一个示例。
34.在该示例中，控制单元22将分断单元21中的各个半导体电力开关110至150控制为单次被导通的时长相等。
35.例如，控制单元22可以包括控制信号产生单元221(图2中未示出)，用于产生与多个半导体电力开关110至150一一对应的多路控制信号m1至m5来控制多个半导体电力开关
110至150的导通或关断。
36.参照图4，m1至m5可以例如是如图所示的脉冲信号，并且由该脉冲信号的高电平和低电平来控制半导体电力开关110至150的导通和关断。这里将控制信号m1至m5示出为脉冲信号仅仅是举例，实现等同效果的其他类型的控制信号也是可能的。为方便控制，控制信号m1至m5的脉冲周期均为t，其中，脉冲周期t表示脉冲从高电平至低电平再回到高电平所花费的时间。例如，图4中所示的，控制信号m1的从时刻0至时刻t5或从时刻t5至时刻t10之间的脉冲对应于一个脉冲周期；控制信号m2的从时刻t1至时刻t6之间的脉冲对应于一个脉冲周期；依次类推，控制信号m5的从时刻t4至时刻t9之间的脉冲对应于一个脉冲周期。以各个半导体电力开关110至150的无效电平为低电平、有效电平为高电平为例，各个半导体电力开关110至150分别在对应的控制信号m1至m5为低电平时被关断而在对应的控制信号为高电平时被导通。
37.在该示例中，控制单元22对分断单元21中的各个半导体电力开关110至115的控制方式如下：产生脉冲周期均为t、占空比(一个脉冲周期内高电平所占比例)均为80％的控制信号m1至m5，并且m1至m5的下降沿依次延迟第一至第五预定时间间隔δt1至δt5，且δt1至δt5均为0.2t。这样，在δt1期间，m1为低电平且m2至m5为高电平，半导体电力开关110被关断，半导体电力开关120至150被导通；在δt2期间，m2为低电平且m1和m3至m5为高电平，半导体电力开关120被关断，半导体电力开关110、130、140和150被导通；在δt3期间，m3为低电平且m1、m2、m4、m5为高电平，半导体电力开关130被关断，半导体电力开关110、120、140和150被导通；在δt4期间，m4为低电平且m1至m3和m5为高电平，半导体电力开关140被关断，半导体电力开关110至130和150被导通；在δt5期间，m5为低电平且m1至m4为高电平，半导体电力开关150被关断，半导体电力开关110至140被导通；依次类推。
38.在该示例中，各个半导体电力开关110至150单次被导通的时长(t-δt1)、(t-δt2)、(t-δt3)、(t-δt4)、(t-δt5)均为0.8t。
39.如此，控制单元22通过将分断单元21中的各个半导体电力开关110至150控制为单次被导通的时长相等，多个半导体电力开关110至150中的每一个半导体电力开关每导通达时长0.8t就被关断达时长0.2t，从而每个半导体电力开关在导通期间所产生的热量得以及时消散，降低了由于瞬时温度较高而造成损坏的可能性。
40.由于制造工艺的差别，即使各个半导体电力开关110至150属于相同类型且具有相同规格，它们的发热程度也可能不同。半导体电力开关的发热程度可以使用例如发热系数μ来表示，发热系数μ可以是半导体电力开关在单位时间内的发热量或与单位时间内的发热量成比例的量。例如，忽略各个半导体电力开关之间的电阻差异，各个半导体电力开关的发热系数μ可以是单位时间内流经各个半导体电力开关的电流的平方。
41.在不考虑发热程度的差异的情况下，各个半导体电力开关110至150在相同的导通时长内可能发热不均匀，这可能造成系统不稳定，例如发热较多的半导体电力开关突然损坏。例如，对于以上结合图4所描述的示例，以流经各个半导体电力开关110至150的电流分别为23a、27a、24a、26a和26a为例。半导体电力开关110在一个脉冲周期内的发热量是q1＝i
12
*(t-δt1)＝423.2t，半导体电力开关120在一个脉冲周期内导通的发热量为q2＝i
22
*(t-δt2)＝583.2t，半导体电力开关130在一个脉冲周期内导通的发热量为q3＝i
32
*(t-δt3)＝460.8t，半导体电力开关140在一个脉冲周期内导通的发热量为q4＝i
42
*(t-δt4)＝
540.8t，半导体电力开关150在一个脉冲周期内的发热量为q5＝i
52
*(t-δt5)＝540.8t。可见，各个半导体电力开关的发热量是不均匀的。
42.因此，为了提高系统的稳定性，还可以将各个半导体电力开关的发热程度差异作为因素纳入控制单元22的控制方式之中，以进一步实现各个半导体电力开关的均匀发热，提升系统稳定性，如下面结合图5所描述的。
43.图5示出了图2中的控制单元对各个半导体电力开关的控制方式的另一个示例。
44.在该另一示例中，控制单元22将分断单元21中的各个半导体电力开关110至150控制为单次被导通的时长与其发热系数之积相等。
45.在该另一示例中，给定轮流关断半导体电力开关110至150的第一至第五预定时间间隔为δt1′
至δt5′
，半导体电力开关110至150的发热系数为μ1～μ5，则各个半导体电力开关110至150在一个脉冲周内被导通的时长与其发热系数之积相等即为满足μ1(t-δt1′
)＝μ2(t-δt2′
)＝μ3(t-δt3′
)＝μ4(t-δt4′
)＝μ5(t-δt5′
)。以发热系数为流经该半导体电力开关的电流的平方为例，各个半导体电力开关110至150在一个脉冲周内被导通的时长与其发热系数之积相等即为满足i
12
(t-δt1′
)＝i
22
(t-δt2′
)＝i
32
(t-δt3′
)＝i
42
(t-δt4′
)＝i
52
(t-δt5′
)。
46.与图4所示的控制方式类似地，控制单元22中的控制信号产生单元221(图2中未示出)可以产生与多个半导体电力开关110至150一一对应的多路控制信号m1'至m5'来控制多个半导体电力开关110至150的导通或关断。m1'至m5'可以例如是如图5所示的脉冲信号，并且由该脉冲信号的高电平和低电平来控制半导体电力开关110至150的导通和关断。这里将控制信号m1'至m5'示出为脉冲信号仅仅是举例，实现等同效果的其他类型的控制信号也是可能的。为方便控制，控制信号m1'至m5'的脉冲周期均为t。例如，图5中所示的，控制信号m1'的从时刻0至时刻t5'或从时刻t5'至时刻t10'之间的脉冲对应于一个脉冲周期；控制信号m2'的从时刻t1'至时刻t6'之间的脉冲对应于一个脉冲周期；依次类推，控制信号m5'的从时刻t4'至时刻t9'之间的脉冲对应于一个脉冲周期。以各个半导体电力开关110至150的无效电平为低电平、有效电平为高电平为例，各个半导体电力开关110至150分别在对应的控制信号m1'至m5'为低电平时被关断而在对应的控制信号为高电平时被导通。
47.在该另一示例中，仍以流过各个半导体电力开关110至150的电流分别为23a、27a、24a、26a和26a为例，结合以上等式i
12
(t-δt1′
)＝i
22
(t-δt2′
)＝i
32
(t-δt3′
)＝i
42
(t-δt4′
)＝i
52
(t-δt5′
)以及δt
′1+δt
′2+δt
′3+δt
′4+δt5′
＝t，可以推导出δt1′
＝0.05t、δt2′
＝0.31t、δt3′
＝0.128t、δt4′
＝0.266t、δt5′
＝0.266t。
48.控制单元22对分断单元21中的各个半导体电力开关110至115的控制方式如下：产生脉冲周期均为t、占空比依次为95％、69％、87.2％、74.4％和74.4％的控制信号m1'至m5'，并且控制m1至m5的下降沿依次延迟第一至第五预定时间间隔0.05t、0.31t、0.128t、0.266t和0.266t。这样，在δt
′1期间，m1'为低电平且m2'至m5'为高电平，半导体电力开关110被关断，半导体电力开关120至150被导通；在δt
′2期间，m2'为低电平且m1'和m3'至m5'为高电平，半导体电力开关120被关断，半导体电力开关110、130、140和150被导通；在时刻δt3′
期间，m3'为低电平且m1'、m2'、m4'、m5'为高电平，半导体电力开关130被关断，半导体电力开关110、120、140和150被导通；在δt4′
期间，m4'为低电平且m1'至m3'和m5'为高电平，半导体电力开关140被关断，半导体电力开关110至130和150被导通；在δt5′
期间，m5'
110至150的电流不超过90a。
58.如此，与根据现有技术的固态断路器10相比，根据本公开实施例的固态断路器20的电流的设计裕量提高了，这对于系统电路的设计带来了便利。
59.此外，作为另一特殊示例，控制单元22还用于在系统电流i的上升速度达到阈值的情况下将预定数量的半导体电力开关中的一个或多个也导通。
60.当系统电流i的上升速度非常快达到阈值的情形下，仅导通所有半导体电力开关中的一部分可能会使得被导通的某个半导体电力开关面临因瞬时电流过大而被击穿的危险。此时，为了防止该半导体电力开关被击穿，控制单元22可以将半导体电力开关110至150中原本应该被轮流关断的那部分半导体电力开关中的一个或多个也导通。
61.例如，参照图3举例说明，当按照前述结合图4和图5所描述的控制方式应当关断半导体电力开关150而导通半导体电力开关110至140时，控制单元22检测到系统电流i的上升速度非常快达到阈值，此时，控制单元22可以调整提供给半导体电力开关150的控制信号m5或m5'，使半导体电力开关110至150全部导通，以避免某个半导体电力开关因瞬时过流而被损坏。
62.以上结合图2至图6，描述了根据本公开实施例的固态断路器20，下面结合图7描述根据本公开实施例的用于固态断路器20的控制方法。
63.图7示出了根据本公开实施例的用于固态断路器的控制方法。
64.参照图7，根据本公开实施例的用于固态断路器20的控制方法s700包括步骤s710，控制固态断路器中的多个半导体电力开关的关断或导通，使得轮流地关断多个半导体电力开关中的预定数量的半导体电力开关，并导通剩余的半导体电力开关，其中，剩余的半导体电力开关的额定电流之和不小于固态断路器的额定电流。
65.例如，如前面结合图2和图3所描述的，首先控制关断固态断路器20的分断单元21中的半导体电力开关110并导通半导体电力开关120至150；然后控制关断半导体电力开关120并导通半导体电力开关110、130至150；以此类推，直至所有半导体电力开关110至150均被遍历地关断一次；之后，再重复前述操作。
66.在步骤s710中，可以通过产生与多个半导体电力开关一一对应的多路控制信号来控制多个半导体电力开关的关断或导通，并且可以采用使各个半导体电力开关110至150单次被导通的时长相等的控制方式(如前面结合图4所描述的)，也可以采用使各个半导体电力开关110至150单次被导通的时长与其发热系数之积相等的控制方式(如前面结合图5所描述的)。
67.控制方法s700可选地还包括步骤s720，在系统电流上升速度达到阈值的情况下，还导通预定数量的半导体电力开关中的一个或多个，以避免系统因为瞬时过流导致损坏。
68.由于前面已经结合图2至图6详细描述了根据本公开实施例的固态断路器20控制分断单元21中的多个半导体电力开关110至150的具体控制方式，为避免重复，此处不再赘述。
69.上述根据本公开实施例的固态断路器20和用于固态断路器20的控制方法700通过增加半导体电力开关的数量，并在满足系统额定电流的前提下轮流关断半导体电力开关中的一部分半导体电力开关，使得各个半导体电力开关得以及时散热，减少了单个半导体电力开关的发热时间，降低了单个半导体电力开关因温度过高而被损坏的可能性。进一步地，
还通过将各个半导体电力开关的发热程度的差异作为考虑因素纳入控制方式之中，结合各个半导体电力开关的发热程度来灵活地调整各个半导体电力开关的导通时长，使得各个半导体电力开关的发热均匀，系统更稳定。
70.以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，在本公开中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本公开的各个实施例必须具备的。
71.本公开涉及的方法流程图和设备框图仅作为示例性的例子，并不意图要求或暗示必须按照流程图和框图示出的方式进行连接、布置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置这些装置、设备，只要能够实现所期望的目的即可。
72.本领域技术人员应该理解，上述的具体实施例仅是例子而非限制，可以根据设计需求和其它因素对本发明的实施例进行各种修改、组合、部分组合和替换，只要它们在所附权利要求或其等同的范围内，即属于本公开所要保护的权利范围。

技术特征：
1.一种固态断路器，包括：分断单元，包括并联的多个半导体电力开关；控制单元，用于控制所述多个半导体电力开关的关断或导通，使得轮流地关断所述多个半导体电力开关中的预定数量的半导体电力开关，并导通剩余的半导体电力开关，其中，所述剩余的半导体电力开关的额定电流之和不小于所述固态断路器的额定电流。2.根据权利要求1所述的固态断路器，其中，各个半导体电力开关单次被导通的时长相等。3.根据权利要求1所述的固态断路器，其中，各个半导体电力开关单次被导通的时长与其发热系数之积相等。4.根据权利要求1所述的固态断路器，其中，所述控制单元包括控制信号产生单元，用于产生与所述多个半导体电力开关一一对应的多路控制信号来控制所述多个半导体电力开关的导通或关断。5.根据权利要求1所述的固态断路器，其中，所述控制单元还用于在所述固态断路器所在系统的电流上升速度达到阈值的情况下还导通所述预定数量的半导体电力开关中的一个或多个。6.根据权利要求4所述的固态断路器，其中，所述多路控制信号是脉冲周期相同的脉冲信号。7.一种用于固态断路器的控制方法，所述固态断路器包括用于分断所述固态断路器的并联的多个半导体电力开关，所述控制方法包括：控制所述多个半导体电力开关的关断或导通，使得轮流地关断所述多个半导体电力开关中的预定数量的半导体电力开关，并导通剩余的半导体电力开关，其中，所述剩余的半导体电力开关的额定电流之和不小于所述固态断路器的额定电流。8.根据权利要求7所述的控制方法，其中，各个半导体电力开关单次被导通的时长相等。9.根据权利要求7所述的控制方法，其中，各个半导体电力开关单次被导通的时长与其发热系数之积相等。10.根据权利要求7所述的控制方法，其中，通过产生与所述多个半导体电力开关一一对应的多路控制信号来控制所述多个半导体电力开关的关断或导通。11.根据权利要求7所述的控制方法，还包括：在所述固态断路器所在系统的电流上升速度达到阈值的情况下还导通所述预定数量的半导体电力开关中的一个或多个。12.根据权利要求10所述的控制方法，其中，所述多路控制信号是脉冲周期相同的脉冲信号。

技术总结
本公开提供了一种固态断路器和用于该固态断路器的控制方法。该固态断路器包括分断单元和控制单元。分断单元包括并联的多个半导体电力开关。控制单元用于控制所述多个半导体电力开关的关断或导通，使得轮流地关断所述多个半导体电力开关中的预定数量的半导体电力开关，并导通剩余的半导体电力开关，其中，所述剩余的半导体电力开关的额定电流之和不小于所述固态断路器的额定电流。述固态断路器的额定电流。述固态断路器的额定电流。


技术研发人员：宋杨峰 董济华 李玉霞 石莹 王接兆
受保护的技术使用者：施耐德电器工业公司
技术研发日：2022.03.04
技术公布日：2023/9/12