[发明专利]故障电流限制装置、用于限制故障电流的方法和系统

说明书

技术领域

本发明涉及用于尤其在半导体开关串联地设置时故障电流限制装置、用于限制故障电流的方法和系统。

背景技术

可通过使用固态故障电流限制器(solid state fault current limiter，SSFCL)来检测并修复电源线故障。这些SSFCL装置利用例如IGBT、SCR、IGCT或MOSFET晶体管等固态开关装置，以阻断或显著增大电源与负荷之间的电流路径的阻抗。然而，这些电源线通常承载范围为10千伏到230千伏以上的电压。因为典型开关装置仅额定为约6千伏，所以通常有必要串联地放置多个此类SSFCL装置。电源线的总电压(也称为电源线电压)在串联的全部SSFCL装置上划分，进而允许每一SSFCL装置在其额定范围内操作。当检测到故障(例如，穿过电源线的电流的浪涌)时，SSFCL装置中的每一个停用其相应的固态开关装置，进而增大电源所遭遇的电阻且降低电流。

图1展示常用的SSFCL装置100。SSFCL装置100包括固态开关装置110，其可为上述晶体管中的任一个。这些固态开关装置110通常具有至少三个端子，即，源极或输入侧111、漏极或输出侧112和栅极113。栅极113的断言(assertion)实现从源极111到漏极112的电流的通过，而栅极113的撤销断言(deassertion)抑制穿过固态开关装置110的电流的通过。

此固态开关装置110可与以下组件中的一个或一个以上并联：缓冲器120、电抗器130和瞬态抑制器140。缓冲器120通常为与电容器串联的电阻器，用于耗散瞬态现象的能量且通过对瞬态频率进行滤波(即，减缓“自振”频率)而减小过电压。瞬态抑制器140用于将过电压瞬态现象钳制到缓冲器120和固态开关装置110的额定值的电平以下。缓冲器120、电抗器130和瞬态抑制器140可被称为并联组件145，这是因为在一些实施例中，当固态开关装置110处于停用或关闭状态时，这些组件145提供让电流行进的并联路径。当固态开关装置110处于关闭状态时，这些并联组件145用于提供从电源到负荷的替代高阻抗电流路径，且保护固态开关装置110在开启与关闭期间免受瞬态过电压。

固态开关装置110的栅极113与栅极驱动电路150连通。此栅极驱动电路150使用电流监控器160来监控正由电源线101供应的电流。栅极驱动电路150用于基于来自电流监控器160的信息而实现或阻断穿过固态开关装置110的电流的通过。

栅极驱动电路150可参考固态开关装置110所遭遇的电压。换句话说，栅极驱动电路150的输出电压与存在于固态开关装置110的源极111或漏极112上的电压相关。传统上，这通过使用隔离电源供应器170来实现。此DC(直流)电源供应器170可为相对低电压、低电流的电源供应器。举例来说，栅极驱动电路150通常利用低电压(例如，高达48伏)且仅耗散几瓦。

然而，每一SSFCL装置100的隔离电源供应器170必须与每一其他隔离电源供应器170电隔离。在一些实施例中，隔离电压的量值必须至少为总线电压除以SSFCL装置100的数目。在其他实施例中，隔离电压的量值必须至少为总线电压。

此隔离通常使用隔离DC电源170来执行。这些隔离DC电源170可采用光学方式来隔离或使用另一方式来隔离。在这些实施例中，虽然电压和电流要求低，但隔离DC电源供应器170可能不可靠且极昂贵，进而可能各自耗费数千美元。这些隔离电源供应器170必须以额定为高电压的隔离来递送稳定电源。隔离电压越高，此任务越难，这是因为电源供应器的大小将增大，成本将提高，可靠性将由于高电压击穿(high voltage breakdown)导致绝缘击穿(insulation puncture)的较高可能性而降低。较低的可靠性还可能是由于输出电压调节将难以从高电压侧控制(其将必须在接地侧控制)的事实，且可能难以维持开关的栅极所需的电压来开启和关闭开关。因此，对使用此专用隔离电源供应器170的需要大幅提高固态故障电流限制器系统的总成本。

因此，存在比当前解决方案廉价且可靠的用于提供隔离电源给栅极驱动电路的系统和方法将是有益的。

发明内容