1.概述

近年来电力电子技术不断发展，直流配电变得可行且方便，这推动了直流配电的再次兴起。另一方面，直流配电在电路保护方面提出了严峻的挑战，因为故障电流可能非常大，而且增长速度极快，传统的保护装置（如机电断路器）无法应对。固态断路器（SSCB）利用最新的功率半导体技术（如低损耗 IGCT 和 WBG FET 器件），为此类保护需求提供了可行的解决方案。

目前，适合任何 SSCB 应用的通用技术尚未出现，但可以根据不同的功率等级采用不同的设计方案。

本章介绍了 ABB 最近对基于优化 Si IGCT 的 SSCB 的研究，旨在寻找最适合大功率 SSCB（额定电流在 kAs 范围内，额定电压在 1 kV 及以上）以及更适合小功率 SSCB 的现有 SiCFET 器件的方法。从功率半导体器件的选择到对栅极驱动电路、冷却系统、电压箝位和保护控制的要求，讨论了此类 SSCB 的设计。

最后，重点介绍了 SSCB 在直流微电网和船舶直流电源系统中的一些应用案例，并特别强调了使用 SSCB 代替传统保护装置的动机。

2.固态断路器

本节简要说明了 SSCB 的分断过程和各组件的功能。第 3.6 节以基于 IGCT 的 SSCB 为例进行理论分析。

固态断路器（SSCB）的概念图和主要功能单元如图 3.1 所示。低导通损耗的半导体器件确保了导通状态下的高效率和故障时的快速电流分断。与功率换流器的应用不同，开关损耗与 SSCB 无关，这可能导致不同的器件设计和优化。双向功率流通常通过将器件反并联或反串联来控制，因为只有少数 4 象限固有对称器件（如 GaN HEMT）存在。此外，我们还可以区分只导通的器件（如晶闸管）和只关断的器件（如 MOSFET、IGBT、IGCT）。虽然晶闸管或三端双向可控硅可用于交流应用，但由于故障电流限制或直流分断的原因，关断半导体器件在 SSCB 中的使用更为频繁。SCCB 概念必须考虑到这些器件特性，并补偿潜在的缺点，以满足应用需求。第 3 节和第 4 节介绍了基于不同半导体器件的两种 SSCB 架构。

电压箝位电路（如金属氧化物压敏电阻 (MOV)）用于在半导体开关关闭时限制临时过压，并吸收电网的电感能量，这可能是一个挑战，尤其是在与大电流限制电感元件连接时。冷却系统，如带风扇或不带风扇的散热器，或用于大功率设备的液体冷却冷板，可将结点温度控制在安全范围内。出于安全要求，例如在维护时，使用机械接触系统提供气隙电隔离。保护单元通过栅极单元和隔离开关控制功率半导体器件，提供故障检测、定位和保护协调等保护功能，以及测量和通信等辅助功能。

下文将介绍这些功能单元的不同设计。

3.基于 IGCT 的 SSCB 的设计与开发

3.1 半导体器件的选择

大功率硅集成栅极换向晶闸管（IGCT）是完全可控双向 SSCB 的理想候选器件，尤其适用于额定电流在 1 kA 以上、额定电压在 LVDC 上限的大功率应用。大多数典型的 IGCT 是非对称的（A-IGCT），需要一个串联二极管来阻断反向电压；二极管与 IGCT 并联的交替配置不适合双向开关。反向阻断 IGCT（RB-IGCT）经过优化设计，具有极低的传导损耗和正向与反向阻断能力 [2，3]。所选 RB-IGCT 的电气特性如下：

图 3.2 显示了基于并联 A-IGCT 和 RB-IGCT 的双向开关块拓扑结构，图 3.3 比较了基于 A-IGCT、RB-IGCT 和 IGBT 的双向开关块的传导损耗曲线。经过优化的 RB-IGCT 在高达 3000 A 的电流下实现了较低的传导损耗，这证明它是 SSCB 应用的合适选择。

如图 3.4 所示，可以在正极和负极导体上使用两个 RB-IGCT 开关来构建双极 SSCB。如图 3.5 所示，这种两极 RBIGCT SSCB 的效率高于 99.9%，电流可达 1500 A。

3.2 电压钳位

RB-IGCT SSCB 关断后，系统电感中积累的能量需要耗散，以避免由此产生的过电压损坏半导体器件。MOV 是一种非线性器件，在 “低 ”电压电平（即系统电压）下具有高阻抗，而在 “高 ”电压电平（即最大允许电压）下具有低阻抗。这样，MOV 只在正常工作电压下传导极低的漏电流，并在关闭 RB-IGCT 以中断故障电流时将电压箝位在不会损坏 RB-IGCT 的水平。有关中断顺序的详细说明，请参见后面的第 3.6 节。

图 3.6 显示了 RB-IGCT SSCB 所选 MOV 的电压-电流特性，其直径为 108 mm，厚度为 7.3 mm，对应于 5000 A 时 2180 V 的残压和 1 kV 时小于 1 mA 的漏电流；最大能量容量为 10. 由于连接 MOV 的箝位电路电感较低，电压峰值被限制在 RB-IGCT 的最大阻断电压 2500 V 以下。

3.3 冷却和机械设计

由于 RB-IGCT 的损耗相对较低，因此即使是这种大功率 SSCB，风冷和水冷系统也都适用。众所周知，风冷系统的体积往往比液冷系统大，但风冷系统不需要热交换器、外部冷却剂连接等辅助组件，而这些组件在比较时通常不在考虑之列。下文介绍了一种风冷 RB-IGCT SSCB 的实施方案。

为了提高断路器的功率密度，尽管需要使用空气来耗散热量，还是选择了两相冷却系统。与热吸管相比，人们更倾向于使用脉动热管（PHPs），因为它具有不受方向影响的性能，而热吸管在倾斜时效率会降低。已经展示了 PHP [6]，其原理图如图 3.7 [7]所示，并设计了一种定制的 PHP 以满足 RB-IGCT SSCB 的独特要求 [4，8]。