固態(tài)斷路器的電壓鉗位元件

電壓鉗位元件對于固態(tài)斷路器 (SSCB) 和混合斷路器 (HCB) 來說都是必不可少的，以保護固態(tài)開關(guān)免受過電壓損壞并吸收系統(tǒng)環(huán)路電感中的剩余能量。

本文從工作電壓范圍、浪涌電流能力、能量吸收能力、成本等方面比較了各種電壓鉗位元件(例如金屬氧化物壓敏電阻 [MOV]、瞬態(tài)電壓抑制 [TVS] 二極管、基于電容器的緩沖電路等)。

SSCB 和 HCB

SSCB 具有極快的故障隔離和斷流而不產(chǎn)生電弧的優(yōu)點。由于功率半導體器件(如碳化硅 (SiC) MOSFET)的進步，SSCB 越來越受歡迎，這些器件可大大降低傳導損耗。HCB 通過將機械開關(guān)和固態(tài)開關(guān)集成在一起，具有傳導損耗最小和斷流速度相對較快的優(yōu)點。

電壓鉗位元件(圖 1)對于 SSCB 和 HCB 都至關(guān)重要。它有兩個用途：

· 限制功率半導體器件兩端的峰值電壓，防止過壓損壞

· 固態(tài)開關(guān)關(guān)閉后，耗散系統(tǒng)寄生電感中的剩余能量

利用V pk /V op比率來比較各種電壓鉗位元件并評估其性能。

圖 1：SSCB 和 HCB 都需要加入電壓鉗位元件，這是其基本結(jié)構(gòu)所必需的。左側(cè)顯示了 SSCB 的基本結(jié)構(gòu);右側(cè)顯示了 HCB 的基本結(jié)構(gòu)。(來源：IEEE)

金屬氧化物變阻器

MOV 是 SSCB 和 HCB 中采用的主要電壓鉗位元件。這些元件采用各種材料制成，例如氧化鋅和氧化硅。在低施加電壓水平(低于鉗位電壓)下，MOV 表現(xiàn)出高阻抗特性。隨著電壓增加到鉗位電壓，MOV 的阻抗迅速下降，從而使電流流動。

市場上的 MOV 具有多種封裝配置，從小型表面貼裝到大型螺絲安裝。這些 MOV 還提供廣泛的電壓范圍，一些設備能夠在高達 3.5 kVDC 的電壓下工作。此外，它們還具有顯著的浪涌電流和能量吸收能力。MOV 還可以雙向傳導電流和電壓，與 TVS 二極管等替代電壓鉗位設備相比，它們非常便宜。

TVS 二極管

瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管經(jīng)常用作 SSCB 或 HCB 中的電壓鉗位元件。這些二極管的功能類似于雪崩二極管，但可以承受高峰值電流和能量。

TVS 二極管可以表現(xiàn)出單向或雙向行為，并且具有與 MOV 類似的快速響應時間。與 MOV 相比，TVS 二極管的電壓范圍有限(單個器件小于 530 V)，并且處理高峰值電流的能力有限，因為它們只能在小型表面貼裝和通孔封裝器件中使用。為了獲得更高的額定電壓或吸收更多的能量，必須將 TVS 二極管串聯(lián)或并聯(lián)。

TVS 二極管的另一個缺點是與 MOV 相比成本相對較高。即使能量吸收和電壓需求相同，TVS 二極管的價格也可能比 MOV 高出幾倍。

基于電容器的電壓鉗位電路

電容器是電力電子中常用的儲能元件。它還可以用于電壓鉗位電路，以吸收存儲在系統(tǒng)寄生電感中的任何剩余能量?；陔娙萜鞯木彌_電路通常用于電力電子轉(zhuǎn)換器，以限制固態(tài)器件關(guān)閉期間電壓的變化率并減輕電壓尖峰。

對于 SSCB，依靠電容器的緩沖電路可以有效限制半導體開關(guān)關(guān)斷過程中電壓的變化率 (dV/dt)。此功能對于使用晶閘管的 SSCB 尤為重要。緩沖電路有多種類型，包括僅由電容器組成的電路、RC 緩沖電路和 RCD 緩沖電路(包含電阻器、二極管和電容器)。

實驗結(jié)果

MOV 器件具有多種優(yōu)點，包括工作電壓范圍廣(每個器件高達 3.5 kVDC)、高浪涌電流和能量吸收能力，并且與其他電壓鉗位元件相比成本適中。

然而，與 TVS 二極管 (>1.59) 相比，該元件的峰值鉗位電壓與最大工作電壓之比 (V pk /V op ) 大幅升高 (>1.63)。建議采用多種技術(shù)來降低 MOV 的峰值電壓與輸出電壓之比 (V pk /V op )。這些技術(shù)包括與 MOV 串聯(lián)使用有源可調(diào)開關(guān)，或?qū)?MOV 與固態(tài)器件以續(xù)流配置連接起來。

與 MOV 相比，TVS 二極管的峰值鉗位電壓較低。但是，它們的電壓范圍有限(單個器件小于 530 V)，處理峰值電流的能力也有限(只有小型表面貼裝和通孔封裝器件可用)。為了獲得更高的額定電壓或吸收更多的能量，需要以串聯(lián)或并聯(lián)配置連接更多的 TVS 二極管。

TVS 二極管的另一個缺點是其成本比 MOV 高得多。即使它們具有相同的能量吸收和電壓需求，TVS 二極管的成本也可能比 MOV 高出幾倍?；陔娙萜鞯木彌_電路可以用作 SSCB 的電壓鉗位組件。這些電路的一個優(yōu)點是它們能夠控制關(guān)斷 dV/dt，從而減少故障電流中斷期間固態(tài)開關(guān)上的能量應力。

存在各種類型的基于電容器的緩沖電路，例如 RC 緩沖電路和 RCD 緩沖電路?；陔娙萜鞯木彌_電路的一個固有問題是固態(tài)器件關(guān)閉后會出現(xiàn)電流振蕩。為了解決這個問題，文獻建議使用由 MOV 和電容器串聯(lián)組成的緩沖電路。通過仔細選擇具有適當電壓水平的 MOV，該電路可以有效抑制振蕩。