【原】重慶大學李輝等：基于SiC MOSFET直流固態斷路器關斷初期電壓尖峰抑制方法

輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）的研究人員李輝、廖興林等，在2018年第5期《電工技術學報》上撰文，針對碳化硅金屬氧化物場效應晶體管（SiCMOSFET）直流固態斷路器關斷速度快、關斷初期易產生較大電壓尖峰及振蕩問題，提出一種抑制方法。

首先，建立SiC MOSFET等效電路模型，分析其不同寄生電感對固態斷路器關斷初期電壓波形的影響。其次，利用不同電壓等級金屬氧化物壓敏電阻（MOV）吸收能量不同的思想，提出并聯MOV作為緩沖電路來抑制斷路器關斷初期電壓尖峰的方法，在分析其工作原理和抑制效果的基礎上，提出了選擇緩沖MOV額定電壓的依據。最后，搭建了基于SiC MOSFET直流斷路器實驗平臺，對不同寄生電感、不同器件下的開斷特性進行了比較，并對所提方法的有效性進行了驗證。

結果表明，相比Si IGBT固態斷路器，SiC MOSFET固態斷路器具有更為嚴重的電壓尖峰和振蕩問題，且隨著寄生電感的增加越來越嚴重，所提出的方法可有效抑制其電壓尖峰并減弱振蕩。

固態直流斷路器能迅速隔離和清除故障，是直流系統不可或缺的設備之一[1-5]。隨著碳化硅（Silicon Carbide，SiC）技術的不斷進步，由碳化硅金屬氧化物場效應晶體管（Silicon CarbideMetal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，SiC MOSFET）構成的直流固態斷路器因開關速度快，導通損耗低，且能工作在較高環境溫度下[6-8]，近年來在配電網應用中受到關注[9-12]。

然而，相比Si器件，SiC MOSFET關斷速度快，高達幾十納秒，很容易導致較大的瞬時電壓尖峰[13,14]。因此，如何抑制SiC MOSFET關斷過程中的電壓振蕩，降低峰值電壓，對于直流固態斷路器以及直流系統的安全穩定運行具有重要意義。

國內外對抑制固態斷路器關斷初期的過電壓已開展了一些研究。文獻[15,16]研制的10 kV斷路器，采用電阻-電容(ResistanceCapacitance，RC)和電阻-電容-二極管(ResistanceCapacitance Diode，RCD)緩沖電路的方法來抑制斷路器關斷初期的電壓尖峰，但過電壓峰值仍達到21.4 kV和28.4 kV。

文獻[17]提出采用增加柵極驅動電阻的方法來抑制關斷初期的電壓尖峰，但同時增加了斷路器損耗，還可能由于關斷時間過長導致功率器件的pn結過熱，損壞器件。

文獻[18,19]采用di/dt控制電路來實現電壓尖峰的抑制，但實現過于復雜，元器件太多，可靠性也會受到一定程度的影響。上述方法主要針對基于Si功率器件的直流固態斷路器，而SiC MOSFET斷路器關斷速度更快，電流變化率更大，關斷初期的瞬時電壓尖峰問題更為嚴重。

基于此，在SiC MOSFET斷路器中，迫切需要一種簡單易行、可靠性高，且能有效抑制關斷過程中過大的電壓尖峰的方法來確保直流固態斷路器安全穩定運行。

本文首先分析了SiC MOSFET固態斷路器的基本工作過程；然后簡單介紹了SiC MOSFET的建模過程，分析了寄生電感對固態斷路器關斷過程的影響，在此基礎上，提出了采用并聯金屬氧化物壓敏電阻（Metal OxygenVaristor，MOV）作為緩沖電路來抑制斷路器關斷初期電壓尖峰的方法；接著，詳細分析了該方法的工作原理和抑制效果，并提出了根據緩沖MOV和吸收能量MOV電壓比值來選擇緩沖MOV額定電壓的依據；最后，搭建了基于SiC MOSFET 和Si IGBT的直流斷路器實驗平臺，比較分析了其開斷性能，并對所提方法的有效性進行了驗證。

圖13  實驗平臺

結論

本文針對SiC MOSFET開關速度快，可能會導致其固態直流斷路器關斷初期產生較大電壓尖峰以及振蕩問題，建立了SiC MOSFET斷路器模型，分析了不同寄生電感對斷路器關斷過程的影響，為抑制其關斷初期的電壓尖峰，提出了一種采用并聯MOV作為緩沖電路的方法，并通過仿真及實驗進行了驗證。所得結論如下：

1）相比Si IGBT直流固態斷路器，基于SiC MOSFET直流固態斷路器在關斷初期存在明顯的電壓尖峰以及振蕩的問題，且隨著寄生電感的增加，其關斷初期電壓尖峰以及振蕩問題更為嚴重。

2）利用不同電壓等級MOV具有不同吸收能量的作用，根據緩沖MOV和吸收能量MOV的電壓比值，提出了選擇緩沖MOV額定電壓的依據，通過仿真和實驗證明，所提出的并聯MOV緩沖電路設計方法在抑制SiC MOSFET直流斷路器關斷初期電壓尖峰和振蕩方面的有效性。

由于本文的電壓和電流相對較低，MOV的動作延遲在仿真和實驗過程中不明顯，忽略了其動作延遲可能帶來的不利影響，若用在高壓和大電流場合，則需要考慮MOV的延遲特性，這將在后續工作中進一步展開。