图1 基于常通型SiC JFET的典型SSCB拓扑结构
Fig.1 Typical SSCB topology structure based on normally-on SiC JFET
摘要 直流固态断路器（SSCB）作为直流配电网中关键的故障保护装置，是快速无弧隔离短路、过电流故障的重要手段。随着宽禁带半导体材料技术的飞速发展，常通型碳化硅（SiC）结型场效应晶体管（JFET）因其具有通态损耗低、零电压开通等优点，已成为SSCB主开关应用的理想器件之一。该文主要论述了直流SSCB的发展现状，针对国内外提出的基于常通型SiC JFET器件的SSCB拓扑结构进行归纳总结。在此基础上，详细论述基于常通型SiC JFET器件的单向、双向低压SSCB在过载、短路保护方面的研究现状及串联、并联型中压SSCB的拓扑结构、工作原理及应用特点，讨论了可应用于SSCB的缓冲电路及其性能特点。最后，展望了基于常通型SiC JFET器件的中低压直流SSCB发展前景。
关键词：直流配电网 固态断路器 SiC JFET拓扑 缓冲电路
近年来，随着分布式发电技术的快速发展和直流负荷的增多，以及各种用电负荷对供电可靠性的需求，直流配电网再次受到国内外学者的广泛关注[1-2]。相比传统交流配电网，直流配电网具有传输效率高（无无功功率、无趋肤效应）、稳定性好（无频率）、易于分布式资源（光伏发电、蓄电池、超级电容等）的直接接入等优势[3-4]。目前，直流配电系统已在通信和数据中心[5-6]、地铁牵引供电系统[7]、船舶配用电系统[8]等领域开展应用。由于直流配电网呈低阻抗特性，当直流配电系统直流侧发生极间短路故障时，故障电流幅值高、变化速率（di/dt）快、无自然过零点[9-10]。短路故障发生后直流系统中的电力电子换流器受故障电流的冲击，易导致换流器中功率器件快速自闭锁或损坏，威胁换流装置的安全运行，进而影响整个直流系统的供电可靠性。同时，直流短路故障所表现出的多阶段、强暂态特征，传统交流断路器和保护方法已难以直接应用于直流故障保护。因此，研发快速可靠的直流断路器是实现安全高效直流配电的关键技术之一。
目前，直流断路器主要分为机械断路器、固态断路器（Solid-State Circuit Breaker, SSCB）和混合断路器三类。机械断路器根据型号和电压等级不同其故障保护响应时间约为几毫秒至几百毫秒。但在短路故障完全隔离前，故障回路中的故障电流幅值可能会上升至较高水平，会对回路中的其他电气元件施加巨大的热应力和电应力，且切断故障电流时产生的电弧也会影响机械断路器的使用寿命[11-12]。混合断路器结合了机械断路器和SSCB二者的优点，在中高压应用场合前景良好。但在对故障响应速动性要求较高的应用场合，其开断速度也会受到机械部件的限制。利用电力电子半导体器件作为开断元件的SSCB具有响应速度快、无弧关断等优势，在对保护速动性要求较高的中低压直流配电网具有良好的应用前景。随着宽禁带半导体技术的日益成熟和商业应用，碳化硅（Silicon Carbide, SiC）半导体器件因其通态损耗低、开关速度快和安全工作范围宽，近年来已成为SSCB主开关应用的理想选 择[13-14]。如目前主流的商业化1 200 V常通型SiC结型场效应晶体管（Junction Field-Effect Transistor, JFET）因其通态损耗低、关断速度快，在中低压直流SSCB应用中得到广泛关注[16-20]。文献[16]设计了额定电压400 V，关断电流180 A，针对舰艇配电系统的单向快速动作SSCB。文献[17]验证了基于SiC JFET的单向直流SSCB作为340 V住宅直流微电网故障保护装置的可行性。随着分布式资源灵活接入的直流配电网，潮流呈双向流动，需要具有双向阻断功能的SSCB。文献[18]研制出用于混合动力飞机推进系统蓄电池的750 V/250 A双向SSCB。文献[19]提出了一种考虑分断特性的低压直流SSCB参数多目标优化方法，能显著提高SSCB的分断能力。文献[20]提出一种基于SiC JFET串联结构的直流SSCB，有效地实现了6 kV直流配电系统故障 保护。
现阶段，国内外学者已提出部分基于常通型SiC JFET器件的中低压直流SSCB方案，其在性能、结构、成本等各方面均有差异。本文梳理了近年来国内外学者所研究的基于常通型SiC JFET器件的SSCB，并将其划分为单向、双向低压SSCB，串联、并联型中压直流SSCB。详细阐述以上各类SSCB的拓扑结构、工作原理及应用特点，并分析了可应用于SSCB的典型缓冲电路工作原理。最后，对基于常通型SiC JFET器件的中低压SSCB发展前景进行了展望。
直流SSCB的主开关由电力半导体器件构成，其关断速度快、关断过程无电弧、使用寿命长，主要应用于对断路器关断速度要求较高的场合。最早的商业化直流SSCB由ABB公司研发，并在2004年首次用于轻型直流输电，为后继SSCB的研究提供了参考和借鉴。基于Si基半导体器件（如晶闸管（Silicon Controller Rectifier, SCR）、绝缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar Transistor, IGBT）、门极可关断晶闸管（Gate Turn-Off Thyristor, GTO）、集成门极换流晶闸管（Integrated Gate-Commutated Thyristor, IGCT）、MOSFET等）的SSCB额定电压高、额定电流大，有着非常可靠的过载保护和短路电流关断能力。在SSCB短路故障保护中，文献[21]提出一种基于SCR的额定电压380 V单向直流SSCB，该断路器重合闸能力强，可满足住宅直流系统对故障关断速度的需求。文献[22]设计了一种基于IGBT的单向直流SSCB，可为直流系统固态变压器中的蓄电池提供过电流保护。在基于Si IGBT器件的直流SSCB工业应用研究中，瑞士Astrol公司研发的AA-21002系列1.5 kV/3 kA SSCB于2021年在新型混合动力舰船直流供电系统中成功应用。该系列的SSCB可根据预先设定的电流-时间曲线在1.5 kV电压下关断20 kA故障电流。文献[23]研制了一种基于反向阻断型集成门极换流晶闸管（Reverse Blocking Integrated Gate Commutated Thyristor, RB- IGCT）的双向直流SSCB，实验结果表明该断路器可在1.6 kV、400 K温度下关断6.5 kA故障电流。在基于RB-IGCT器件的直流SSCB工业应用研究中，ABB公司于2019年汉诺威博览会发布了SSCB产品ABB Infinitus。该SSCB利用RB-IGCT器件作为主开关并集成了新型绝缘液冷散热系统，有效降低了功率器件因结温过高而产生的功率损耗，且1 kV电压等级下隔离短路故障约10 ms。在2023年日本电子高新科技博览会上，ABB公司发布了新一代额定电压/电流1 kV/2.5 kA SSCB产品SACE Infinitus，是世界首款满足IEC 60947-2标准的SSCB。该SSCB在ABB Infinitus的基础上实现了电力电子组件、机械组件、冷却组件、控制组件和通信组件等的无缝集成，进一步减小了SSCB的体积和成本。在过载及短路故障综合保护方面，文献[24]研究了一种基于Si MOSFET的380 V/15 A单向直流SSCB，实现了380 V直流供电系统的过电流和短路故障保护。但基于Si基半导体器件的SSCB因通态损耗大、成本较高，在部分商业应用中受到限制。
随着半导体材料及功率器件技术的迅猛发展，第三代宽禁带半导体器件如SiC JFET、SiC MOSFET、SiC静电感应晶体管（Static Induction Transistor, SIT）等具有导通损耗低、安全工作区宽、开关速度快、热稳定性好等应用优势，部分学者对基于SiC器件的SSCB进行了初步研究和探索。在短路故障保护方面，文献[25]提出了一种基于SiC SIT器件的单向直流SSCB及过电压抑制方法，有效地抑制了SSCB在短路故障关断期间的过电压和电压振荡现象。文献[26]研制出一种基于SiC MOSFET器件串联结构的直流SSCB，该SSCB利用一个单栅极驱动电路即可实现所有串联器件的通断。文献[27]提出一种基于SiC MOSFET器件并联结构的直流SSCB，主开关SiC MOSFET并联器件采用对称设计，实现了并联器件的电流均衡。在过载及短路故障综合保护方面，文献[28]提出了一种基于SiC MOSFET器件的直流SSCB及脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）变频控制保护方法，能有效识别容性负载启动时产生的浪涌电流及永久性过电流故障。在基于SiC MOSFET器件的直流SSCB工业应用研究中，Atom Power公司于2019年发布了世界上首台量产1 500 V/200 A双向直流SSCB产品Atom Switch。该产品结合SiC MOSFET的通断特性与微控制器技术，实现了直流短路故障的可靠隔离。Atom Power公司在2020年将Atom Switch产品拓展到电动汽车充电桩，利用数字化技术对电压和充电功率进行实时监测，并实现了SSCB、充电桩和用户之间的双向通信。此外，相关学者还研究了SiC MOSFET器件和SiC JFET器件的关断能力[29]，实验结果表明常温下SiC MOSFET的通态电阻小于SiC JFET，但SiC JFET器件具有更高的最大允许关断电流密度和更高的峰值功率密度。同时SiC JFET器件的夹断电压具有负温度系数，其短路性能优于SiC MOSFET器件[30]。
考虑到常通型SiC JFET器件导通时栅源极电压为零，通态损耗极低，雪崩耐量和短路应力强，非常适合快速动作性能直流SSCB的应用。目前，国内外针对基于常通型SiC JFET器件的SSCB研究尚处于起步阶段，主要侧重于中低压直流380～6 000 V SSCB拓扑结构及栅极驱动电路研究。在低压380 V直流系统中，文献[31]提出了一种基于常通型SiC JFET器件的直流SSCB，可在55 ms内关断100 A故障电流。为了使SSCB应用于中压等级，部分学者研发了基于常通型SiC JFET串联结构的SSCB及保护方法[32-33]。上述研究成果不仅为解决SiC功率器件应用所面临的技术难题提供有益借鉴，也促进了中低压直流配电网保护技术的发展。
光伏、风电、储能等分布式资源灵活接入低压直流配电网后，潮流呈双向流动。根据SSCB配置位置及所在直流线路故障电流方向，需要在线路中配置单向或双向SSCB对该线路进行故障保护。基于此，国内外学者在基于常通型SiC JFET器件的单向、双向低压SSCB拓扑、驱动电路设计等方面开展了研究，为含分布式资源的低压直流配电网故障保护提供了技术支撑。
基于常通型SiC JFET器件的典型单向低压SSCB拓扑结构[34]如图1所示。该SSCB主要由故障检测电路、主开关N沟道耗尽型SiC JFET器件、驱动与控制电路、缓冲和能量吸收电路四部分组成。由于SiC JFET是常通型器件，SSCB正常运行时，驱动与控制电路无需向SSCB栅极发送驱动电压信号。假设直流母线在P点发生短路故障，故障检测电路将所检测的故障电流信号传递至驱动与控制电路，并向SiC JFET的栅极发送偏置电压信号（-15 V）使SSCB关断，最终切断短路故障电流。SSCB关断过程中所产生的能量和过电压由缓冲及能量吸收电路抑制和处理，有效保护了主开关SiC JFET 器件。
图1 基于常通型SiC JFET的典型SSCB拓扑结构
Fig.1 Typical SSCB topology structure based on normally-on SiC JFET
基于常通型SiC JFET器件的单向低压直流SSCB研究，主要集中在优化SSCB栅极驱动电路，提高SSCB对直流短路故障的感应和响应时间[35-36]。在单向低压直流SSCB短路故障保护方面，为了提高SSCB处理短路故障的响应速度，文献[35]提出了一种基于常通型SiC JFET器件的SSCB拓扑结构，如图2所示。该SSCB在主开关SiC JFET栅源极之间并联了一个加速电容Ca，电容Ca通过吸收米勒电容电流来解决常通型SiC JFET器件因米勒电容而导致的关断延时。但此方案需要依赖复杂的过电流传感器、信号处理器和数据通信，同时还需要多个独立辅助电源为控制电路供电。
图2 含加速电容的单向直流SSCB拓扑结构
Fig.2 Unidirectional DC SSCB topology with accelerating capacitor
为了使SSCB类似交流系统中空气开关安装便捷和使用，作者前期提出了一种基于常通型SiC JFET器件的超快速自供电型SSCB[36]，其拓扑结构如图3所示。此SSCB通过检测主开关SiC JFET的漏源极电压来识别短路故障，当漏源极电压达到脉冲宽度调制电路（TL494）的工作电压时则向SiC JFET栅极提供负的偏置电压使SSCB关断。此拓扑结构无需任何外部辅助电源，但只适用于直流短路故障保护。在单向低压直流SSCB过载及短路故障综合保护方面，作者提出一种基于常通型SiC JFET的SSCB栅极驱动电路及PWM延时限流保护方 法[37]，可对过载、短路故障及容性负载启动产生的浪涌电流进行识别和保护，其拓扑结构如图4所示。PWM限流模式下，SSCB可在容性负载启动时以有限的电流水平对容性负载的电容进行充电。若微处理器识别为过电流故障，SSCB将退出PWM限流模式并关断，否则SSCB将保持导通，负载正常运行。
图3 基于常通型SiC JFET的单向直流自供电SSCB拓扑结构
Fig.3 The topology of unidirectional self-powered DC SSCB based on normally-on SiC JFET
图4 具备软启动功能的单向直流自供电SSCB拓扑结构
Fig.4 Unidirectional DC self powered SSCB topology with soft start function
考虑到分布式资源灵活接入直流配电网后，故障特征更加复杂。若直流系统发生短路故障，可能导致直流母线的任一方向出现过电流，此时需要一种双向断路器来处理直流故障。传统双向机械断路器主要由机械接触器隔离故障，开关速度慢，在光伏并网逆变系统、混合动力电动汽车等场合有应用。但在开关速度要求高的场合，可利用双向直流SSCB实现直流故障的快速隔离。
双向直流SSCB的基本设计思路是将主开关中的两个SiC器件背靠背连接，以便在任一方向切断故障电流。目前，国内外提出的基于常通型SiC JFET器件的双向低压直流SSCB可分为共源极型和共漏极型。在双向低压直流SSCB短路保护方面，文献[38-39]提出了一种基于常通型SiC JFET器件共源极结构的双向SSCB，拓扑结构如图5所示。当SSCB上游或下游的直流母线发生短路故障时，故障电流流入主开关中任一SiC JFET（Q1, Q2）器件的漏极，同时通过共源极支路流入栅极驱动电路。流入栅极驱动电路中的电流可在复位熔断器T1、T2上形成电压降，当电压降达到单结晶体管（Unijunction Transi- stor, UJT）Q3和Q5的触发电压时UJT导通，同时驱动MOSFET导通。最后，辅助电源通过MOSFET向SiC JFET栅极提供反向偏置电压来控制SiC JFET关断。图5中双向SSCB驱动电路中存在大量晶体管，且需要辅助电源向驱动电路提供电源。
图5 基于常通型SiC JFET共源极结构的双向直流SSCB拓扑
Fig.5 The topology of bidirectional DC SSCB based on normally-on SiC JFETs common source structure
在双向低压直流SSCB过载及短路故障综合保护中，文献[40]提出的一种适用于双向SSCB的新型故障检测电路，其检测电路拓扑结构如图6所示。图中电容C1和C2的可以降低故障初始瞬态检测电路的电压输出值，从而使SSCB在过载条件下不会瞬间跳闸。当检测电路输入端电压升高后，流经电阻R4的电流可对电容C2进行充电，当C2两端电压达到一定阈值即可激活SSCB的栅极驱动电路，由此实现过载保护。为了降低SSCB驱动电路的复杂性和成本，文献[41]提出了一种基于常通型SiC JFET共漏极结构的双向直流自供电型SSCB，其结构如图7所示。该双向SSCB包括电压传感网络、DC-DC变换器和由两个SiC JFET器件共漏极连接组成的主开关。当直流母线发生过载或短路故障时，故障电流流经主开关SiC JFET漏源极，由此产生的漏源极电压通过电压传感器网络给TL494供电，当其电压值达到TL494的工作阈值电压时DC-DC变换器快速启动，并向两个SiC JFET器件的栅源极提供偏置电压使SSCB关断。故障消除后，主开关SiC JFET的漏源极电压下降至TL494工作阈值电压以下，DC-DC变换器退出运行。此时SiC JFET器件的栅源极电压值为零，则SSCB导通，直流系统恢复运行。
图6 基于常通型SiC JFET的双向直流SSCB新型故障检测电路
Fig.6 The new fault detection circuit for bidirectional DC SSCB based on normally-on SiC JFETs
图7 基于常通型SiC JFET共漏极结构的双向直流SSCB拓扑结构
Fig.7 The topology of bidirectional DC SSCB based on normally-on SiC JFETs
综上所述，基于常通型SiC JFET器件的单向低压直流SSCB研究主要利用简洁拓扑结构实现快速的短路和过电流故障保护。在双向直流SSCB研究方面，通常将SSCB的主开关SiC器件进行对称设计以实现双向故障隔离。但考虑到分布式资源接入直流系统后的故障新特征，对可靠的直流故障识别和隔离提出了更高要求。在上述研究基础上，设计新型可靠的单向、双向低压直流SSCB拓扑及保护方法是未来研究重点。
为了提高基于SiC器件的直流SSCB电压等级和功率容量，设计SSCB拓扑时通常需要将主开关SiC器件串联运行以增加其耐压水平，或将SiC器件并联运行以提高其电流容量。因此，部分学者在SiC器件串联均压及并联均流方法、中压直流SSCB拓扑及驱动电路设计等方面展开研究，为中压大功率容量SSCB的深入探索提供了有益借鉴。
基于常通型SiC JFET串联结构的典型中压直流SSCB拓扑如图8所示。图中n个SiC JFET器件串联连接，每个SiC JFET器件都由单独的驱动电路提供驱动控制信号。当SSCB关断时，直流母线电压由SiC JFET串联器件共同分担；SSCB导通时，负荷电流同时流过SiC JFET串联器件的漏极。若SSCB关断时每路驱动信号产生延迟将对串联器件的电压平衡造成较大影响，甚至造成器件损坏。且随着SiC JFET串联器件和驱动电路数量增多，SSCB的成本和电路复杂性也随之增加。
图8 基于n个常通型SiC JFET串联的典型直流SSCB拓扑结构
Fig.8 Typical DC SSCB topology based on multiple normally-on SiC JFETs series connection
目前关于基于常通型SiC JFET串联结构的中压直流SSCB研究成果[16, 42]中，SiC JFET器件串联运行时的主要挑战是器件之间的电压均衡问题，主要原因有：
（1）生产工艺的差异不可避免地使不同批次的SiC JFET存在物理特性上的偏差（包括通态电阻、跨导、阈值电压及寄生电容等），导致器件串联运行时的开关特性受到影响，是影响电压均衡的因素 之一。
（2）若SiC JFET串联器件的栅极驱动信号存在延时，所有串联器件关断瞬间会使各个器件的漏源极电压存在较大差异，进而影响其动态电压均衡。
（3）SSCB主电路及驱动电路中存在的寄生参数会使SiC JFET串联器件在通断过程中产生电压振荡，使其对电压均衡产生影响。
现有文献除了基于常通型SiC JFET器件的中压直流SSCB过载及短路保护研究方面，还聚焦于SSCB通断期间主开关串联器件的电压均衡问题。为了实现快速的直流短路故障保护，文献[16]提出了一种基于常通型SiC JFET串联结构的中压SSCB拓扑结构，如图9所示。图9中，SSCB主要包括三个N沟道耗尽型SiC JFET串联器件、电压平衡电路、电压传感网络和隔离DC-DC变换器。电压平衡电路中的RC电路和齐纳二极管VDZ1～VDZ6分别用于实现串联器件间的动态和静态电压均衡。当直流母线发生短路故障时，SSCB驱动电路快速响应短路故障并向串联器件Q1的栅极发送偏置电压信号（-15 V），Q1率先关断。随后，当Q1漏源极电压快速上升且达到齐纳二极管VDZ5、VDZ6的阈值电压时，Q2的栅源极电压达到-15 V，Q2关断。同理，Q2关断后触发Q3关断，最终完成SSCB的关断过程。该SSCB单栅极驱动电路能够较好地处理因驱动信号不一致所造成的电压失衡。但随着串联器件数量增加，齐纳二极管数量也成倍增加，增加了整个电路损耗和成本。同时当直流线路发生过载时，驱动电路不会被激活，持续的过电流可能会损坏主开关SiC JFET器件。
图9 基于常通型SiC JFET串联的中压直流SSCB拓扑结构
Fig.9 The topology of medium voltage DC SSCB based on normally-on SiC JFETs series connection
在文献[16]所提拓扑基础上，文献[42]提出一种适用于常通型SiC JFET串联的单栅极驱动结构，有效减少了电压平衡电路中的元件数量。同时，为了实现过载及短路故障综合保护并进一步优化常通型SiC JFET串联运行时的电压均衡效果，作者利用电容耦合原理设计了一种基于常通型SiC JFET串联结构的中压直流SSCB[43]，拓扑结构如图10所示。当直流母线发生过载或短路故障时，驱动电路首先控制器件J1关断，J1关断后其漏源极电压上升，同时耦合电容C1电压上升随后关断J2，J2关断后耦合电容C2电压上升并关断J3，SSCB的整个关断过程都由一个驱动信号控制。电路中的齐纳二极管VDZ1～VDZ3保证了SiC JFET串联器件间的静态电压均衡，RC和金属氧化物压敏电阻（Metal Oxide Varistor, MOV）构成的缓冲电路有效抑制了SSCB关断过程中的过电压。
图10 基于电容耦合原理的中压直流SSCB拓扑结构
Fig.10 The topology of medium voltage DC SSCB based on capacitive coupling principle
上述文献主要对常通型SiC JFET器件的串联应用进行了研究，但受限于更高电压等级的SSCB应用。基于此，作者进一步提出了一种基于常通型SiC JFET串联模块的中压直流SSCB[44]，拓扑结构如图11所示。该方案将由五个SiC JFET串联器件组成的单栅极驱动结构构成一个子模块，每个子模块由一个驱动电路直接控制。驱动电路中的反馈控制电路、能量吸收电路和分压电路可实现子模块间的电压均衡。此SSCB结构简单，由SiC JFET串联器件所组成的子模块只需一个反馈控制电路和分压电路，提高了SSCB的可靠性。
为了使SSCB适用于更高额定电流的应用场合，可利用多芯片模块[45]或者单个器件并联运行[46]的思路设计SSCB拓扑。基于SiC JFET并联结构的典型直流SSCB拓扑结构如图12所示。图中n个常通型SiC JFET器件并联连接，每个SiC JFET并联器件都由单独的驱动电路控制。当SSCB导通时，负荷电流I0将由所有SiC JFET并联器件承担。SSCB关断时，若每路驱动电路产生信号延迟，将对SiC JFET并联器件的电流均衡效果产生影响。由此，常通型SiC JFET器件并联运行时的主要技术难题是电流均衡问题[47]，主要影响因素见表1。
图11 基于常通型SiC JFET串联模块的中压直流SSCB拓扑结构
Fig.11 The topology of medium voltage DC SSCB based on normally-on SiC JFETs series modules
图12 基于SiC JFET并联的典型直流SSCB拓扑结构
Fig.12 TypicalDC SSCB topology based on SiC JFETs parallel connection
由表1可知，常通型SiC JFET并联运行时的动静态电流均衡影响因素主要分为以下三个方面：
（1）器件自身特性：制造工艺会造成不同批次的SiC JFET通态电阻、阈值电压、栅极方向击穿电压等存在差异。如其他条件相同时，在SiC JFET并联器件导通过程中阈值电压较小的器件会率先导通，因此其动态电流也较大。当SiC JFET并联器件关断时，阈值电压较小的器件会延迟关断，容易承受过电流。
表1 常通型SiC JFET并联运行时电流均衡的主要影响因素
Tab.1 Main influence factors of current balance during parallel operation of normally-on SiC JFETs
影响因素静态均流动态均流 器件自身特性通态电阻影响大 阈值电压影响大 栅极反向击穿电压影响大 栅极驱动电阻关断和导通延时影响大 等效输出电阻影响大 功率回路漏极寄生电感影响大 源极寄生电感影响大
（2）栅极驱动电阻：SiC JFET并联运行时的栅极电阻对其动态特性影响较大，栅极电阻的大小直接影响SiC JFET栅源极寄生电容的充放电时间，即影响SSCB的开断时间。SiC JFET的栅极电阻越小，开断速度越快，但SiC JFET的漏极电流和漏源极电压振荡越大。同时SiC JFET并联运行的栅极驱动信号不同步也会造成先导通的器件承受较大的电流，从而影响并联器件间的电流均衡。
（3）功率回路：功率回路中的寄生参数[48]（如SiC JFET的漏源极寄生电感）会对SiC JFET并联运行时的动静态电流均衡产生影响。所以SiC JFET器件并联应用时，器件应对称布置以减少寄生电感对其开关速度的影响。
由于常通型SiC JFET器件的通态电阻具有正温度系数，当SiC JFET并联运行时，器件结温升高使其通态电阻增大，SiC JFET漏源极电流减小。随着器件温度下降最终实现热平衡，有利于SiC JFET器件的静态均流。为了减小因驱动信号延迟所造成的SiC JFET并联器件动态电流不均衡程度，文献[49]提出了三种适用于常通型SiC JFET器件并联运行的栅极驱动电路，如图13所示。其中，SiC JFET器件的驱动电路由单个栅极驱动单元[50]构成，如图14所示。图中栅极驱动单元由栅极电阻Rg与二极管VD、电阻Rp和电容C组成的并联网络串联构成。当SiC JFET导通时，驱动电路输出电压为零。当SiC JFET关断时，驱动电路中的电流通过栅极电阻Rg和驱动单元电容C给SiC JFET的栅源极寄生电容Cgs充电，Cgs电压达到SiC JFET的关断阈值电压后器件关断。在SiC JFET关断稳态期间，会有一个小电流通过栅极驱动单元中的电阻Rp给SiC JFET供电以维持SiC JFET的关断状态。
图13 基于常通型SiC JFET并联的直流SSCB驱动电路拓扑结构
Fig.13 The topology of DC SSCB’s drive circuit based on normally-on SiC JFET parallel connection
图14 常通型SiC JFET栅极驱动单元
Fig.14 The gate drive unit based on normally-on SiC JFET
图13a中，每个SiC JFET并联器件均由一个栅极驱动单元单独控制。若驱动信号存在延时，SiC JFET并联器件在开通和关断过程中的漏极电流会有明显差异。图13b中，栅极电路在图13a基础上增加了小型铁氧体磁心，用于消除SiC JFET并联器件之间的栅极电流不均衡现象。图13c中，所有SiC JFET并联器件共用一个栅极驱动单元结构，栅极电流只有一条公共路径，可用于抑制并联器件之间的驱动信号不同步。考虑到单栅极驱动电路设计方案能够有效抑制SiC JFET并联器件驱动信号延迟所造成的动态电流不平衡问题。文献[51]提出一种基于SiC JFET并联结构的SSCB栅极驱动电路，如图15所示。该驱动电路采用对称设计，并利用一个驱动信号同时控制两个SiC JFET并联器件。反馈电阻Rf1和Rf2弱化了主电路杂散电感不对称所造成的电流不均衡现象。
图15 文献[51]提出基于常通型SiC JFET并联的驱动电路拓扑结构
Fig.15 The drive circuit topology based on parallel normally-on SiC JFETs proposed in Ref.[51]
SSCB缓冲电路可抑制断路器关断过程中产生的过电压。缓冲电路通常由单个或多个能量吸收元件组成，主要分为RC型、RCD型及MOV型三类，简要介绍如下：
（1）RC型缓冲电路：由电阻R和电容C串联构成，电容C用于降低主开关两端电压的上升速度，电阻R可吸收多余能量并抑制电容电压振荡。RC型缓冲电路能有效减少SSCB关断时间，但会增加SSCB关断初期的峰值电压。
（2）RCD型缓冲电路：由电阻R、电容C和二极管VD构成，可消除因电阻产生的压降，用于抑制SSCB关断时产生的电压振荡。但RCD型缓冲电路的钳位电压较低。
（3）MOV型缓冲电路：并联在SSCB主开关两端的MOV可将SSCB关断过程中产生的过电压钳位至固定值并吸收短路能量。但MOV每经历一次冲击电压便老化一次，性能会逐渐减弱。
文献[52]提出了一种应用于常通型SiC JFET器件的RC缓冲电路，有效地抑制了SiC JFET器件开通和关断过程中的电压振荡。但在SiC JFET器件关断期间，缓冲电阻两端的电压会同时施加至SiC JFET器件的漏源极，在SSCB中应用RC型缓冲电路时具有较大的挑战性。在此基础上，文献[53]提出了一种应用于低压SSCB的电压抑制型RCD缓冲电路，有效抑制了电压上升率dv/dt。文献[54]提出了一种适用于SSCB的放电抑制型RCD缓冲电路，拓扑结构如图16所示。该方法消除了缓冲电阻两端的电压并显著减少了SSCB关断期间的电压振荡。
图16 放电抑制型RCD缓冲电路拓扑结构
Fig.16 The topology of discharge suppression RCD snubber circuit
MOV型缓冲电路主要应用于中低压SSCB[55]，其MOV自身电阻与所施加的电压呈非线性关系。在SSCB关断过程中，当主开关两端电压达到MOV的钳位电压时，MOV两端的电压将保持恒定并随着能量的增加而逐渐减小。文献[56]提出了一种基于MOV并联的SSCB缓冲电路如图17所示，图中外环MOV用于吸收直流故障能量，内环MOV用于抑制主开关器件关断初期的电压峰值。此缓冲电路利用内外环MOV的额定电压差将故障电流分流，且通过限制电流上升率di/dt来降低主开关器件两端的电压振荡和尖峰。然而，由于MOV在能量吸收过程中存在老化现象，使用寿命有限[56]。
图17 基于并联MOV型缓冲电路的直流SSCB拓扑结构
Fig.17 The DC SSCB topology of parallel MOV snubber circuit
部分学者研究了由MOV和RCD、MOV和RC组成的混合型缓冲电路[58-59]。文献[58]提出了一种基于RCD和MOV的混合型缓冲电路拓扑，如图18所示。该方案可工作于两种模式：当SSCB主开关两端电压小于MOV的钳位电压时，混合型缓冲电路工作在RCD缓冲模式；当SSCB主开关两端电压大于MOV钳位电压时，混合型缓冲电路工作在MOV缓冲模式。实验结果表明，当RCD和MOV混合型缓冲电路中缓冲电容C的电容值为RCD型缓冲电路中的一半时，故障清除时间虽略有增加，但提升了其过电压和过电流抑制能力。文献[59]提出了一种RC和MOV混合型缓冲电路用于保护SSCB的主开关SiC JFET器件，如图19所示。直流故障发生后，SSCB驱动电路向主开关SiC JFET器件栅极发送关断信号，关断过程中故障电流将切换至缓冲电路，并通过限制故障电流上升率di/dt达到过电压抑制效果。该思路利用RC型缓冲电路的电压抑制能力和MOV型缓冲电路的故障能量吸收的优点，实现了SSCB主开关SiC JFET器件开通和关断过程中的过电压保护。
图18 基于RCD和MOV的混合型缓冲电路
Fig.18 The hybrid snubber circuit based on RCD and MOV
图19 基于RC和MOV的混合型缓冲电路
Fig.19 The hybrid snubber circuit based on RC and MOV
缓冲电路作为SSCB拓扑设计的重要组成部分，其成本也是其考虑的主要因素之一。因此，设计SSCB时有必要对缓冲电路进行性能评估，可参考以下四项性能指标：峰值电压upk、峰值电流ipk、缓冲电路稳态时间tssc、成本S。
文献[60]分析了RC型缓冲电路对SSCB过电压抑制效果情况。通过对比不同参数条件下RC型缓冲电路的稳态时间和峰值电压（见表2），RC型缓冲电路在临界阻尼状态时，SSCB关断过程中的峰值电压最小且稳态时间更短。文献[61]在200 V额定电压条件下对RCD型和MOV型缓冲电路的性能进行了对比分析，RCD型、MOV型及RCD和MOV混合型缓冲电路的元件参数见表3，缓冲电路性能见表4，其中，Cs为缓冲电容，UCs为缓冲电容电压，Rs为缓冲电阻，PRs为缓冲电阻功率，IDSM为二极管浪涌电流。由表4可知，RCD型缓冲电路相比MOV型缓冲电路具有更小的过电压，但MOV型缓冲电路故障清除时间短且价格比RCD型缓冲电路更低。RCD和MOV混合型缓冲电路的峰值电压和峰值电流都要优于RCD型和MOV型缓冲电路，稳态时间略长于RCD型和MOV型缓冲电路，但成本是二者的总和。
表2 不同参数的RC型缓冲电路性能对比
Tab.2 Performance comparison of RC snubber circuits with different parameters
工作状态R/WC/mFtssc/msupk/V 无缓冲18550 欠阻尼04.7250550 欠阻尼028.2300450 临界阻尼328.2120300 过阻尼428.2140400 过阻尼1028.2200550
表3 RC型、RCD型、RCD+MOV混合型缓冲电路参数对比
Tab.3 Comparison of RC, RCD, RCD and MOV hybrid snubber circuit parameters
电路参数缓冲电路类型 RCDMOVRCD+MOV 缓冲电容Cs/mF4.72.35 缓冲电容电压UCs/V450450 缓冲电阻Rs/W55 缓冲电阻功率PRs/W2525 二极管浪涌电流IDSM/A1818 类型S14K150 额定电压UV/V240 额定功率W/J40
表4 RC型、RCD型、RCD+MOV型缓冲电路性能对比
Tab.4 Performance comparison of RC, RCD and RCD+MOV snubber circuits
性能指标缓冲电路类型 RCDMOVRCD+MOV 峰值电压upk/V284.8325.6264 峰值电流ipk/A27.4627.1416.8 稳态时间tssc/s0.830.710.96 成本S/$5.460.626.08
基于常通型SiC JFET器件的中低压SSCB可在低损耗条件下快速隔离直流故障，是直流配电网理想的故障保护装置之一。目前，基于常通型SiC JFET器件的中低压SSCB尚处于理论研究和样机试制阶段，仍存在较多技术难点亟待进一步深入研究，展望如下：
1）SSCB在中压大功率场合应用时依靠SiC JFET器件串、并联运行以提高其电压和电流等级，故基于常通型SiC JFET的中压直流SSCB未来应重点关注串联均压和并联均流方法的改进、参数设计的优化及新型可靠拓扑的研究。
2）基于常通型SiC JFET器件的SSCB适用于对速动性和可靠性要求高的中低压直流系统，但常通型SiC JFET在短路故障时受到电、热等多种应力作用，可靠性问题不可忽视。有必要进一步研究SSCB的失效机理，确定其安全运行区，提出新的保护控制方法，有利于提高复杂工况下SSCB的可靠运行能力。
3）多类分布式资源接入中低压直流配电网后，其故障特征复杂。未来SSCB研究应重点关注故障信号快速检测与识别、主开关串联器件串扰、驱动信号抗干扰等问题，保证SSCB驱动电路的可靠性。
4）随着直流配电网的扩大和越来越多分布式资源的接入，对SSCB故障隔离要求越来越高，单一区域的SSCB保护将难以满足配电网系统级故障保护的要求。因此，研究基于SSCB协调控制的直流配电网故障保护方法，有选择地识别区内、区外故障并快速隔离，是未来研究的重点之一。
随着直流配电网中分布式资源的广泛接入以及直流负荷的增加，对直流断路器的关断速度和故障电流关断能力要求越来越严格。基于常通型SiC JFET器件的SSCB可充分发挥SiC半导体器件的优势，有效提高保护速动性、改善通态损耗，是直流故障保护较好的选择方案之一。本文在国内外学者研究基础上，梳理了所提出的基于常通型SiC JFET器件的SSCB拓扑结构，详细阐述了单向、双向低压SSCB和串联、并联型中压SSCB的工作原理、驱动电路结构特点，以及适用于SSCB的几种典型缓冲电路的工作原理及优缺点。最后，对基于常通型SiC JFET器件的中低压SSCB发展前景进行了展望，为高可靠、快速响应能力的SSCB实际应用提供技术借鉴，进一步推动直流保护技术的发展。
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Review of Research on Medium and Low Voltage DC Solid-State Circuit Breakers Based on Normally-on SiC JFETs
Abstract In recent years, with the rapid development of distributed power generation technology and the increase of direct current (DC) loads, the DC distribution network has once attracted wide attention from scholars both domestically and internationally. Due to the low impedance characteristics of the DC distribution network system, when a DC short circuit fault occurs, there is a high amplitude of fault current. Therefore, it is necessary to research fast and reliable DC circuit breakers. DC solid-state circuit breakers (SSCBs) have advantages such as fast response speed and no arc interruption, making them suitable for medium- and low-voltage DC distribution network applications. Meanwhile, with the quick advancement of wide bandgap semiconductor materials technology, normally-on silicon carbide (SiC) junction field-effect transistor (JFET) devices have become one of the ideal choices as the main switch for SSCBs due to their low conduction losses and zero voltage conduction characteristics.
Firstly, this paper introduces the current research and development status of DC SCCBs based on silicon (Si)-based and SiC-based semiconductor devices. The applications of Si-based and SiC-based DC SCCBs in industry are elaborated.
The power flow becomes bidirectional when considering the flexible integration of distributed resources such as photovoltaic, wind power, and energy storage into the DC distribution network. It is necessary to design unidirectional or bidirectional SCCBs for fault line protection based on the configuration of the SCCBs and the fault current direction in the DC lines. This paper analyzes the topology and working principle of low-voltage unidirectional and bidirectional DC SCCBs based on normally-on SiC JFET devices. The research progress regarding overload and short-circuit protection methods is discussed.
Furthermore, the factors influencing voltage and current balancing during the series and parallel operation of the main switch SiC JFET devices in medium-voltage DC SCCBs are analyzed. The topology and voltage balancing methods of medium-voltage DC SCCBs based on normally-on SiC JFET devices in series structure are introduced, and the topology and current balancing methods of medium-voltage DC SCCBs based on normally-on SiC JFETs in parallel structure are summarized. Additionally, the working principles of three types of snubber circuits, namely RC snubber circuit, RCD snubber circuit, and MOV snubber circuit,are introduced, and their performance is evaluated.
Finally, this paper provides development prospects for medium to low-voltage DC SCCBs based on normally-on SiC JFET devices. (1) Improvement methods for voltage balancing in normally-on SiC JFET devices series connected and current balancing in parallel connected devices, as well as new designs for reliable topology structures in medium-voltage DC SCCBs. (2) Failure mechanism investigation of DC SCCBs based on normally-on SiC JFET devices under complex operating conditions. (3) Research on fault detection and identification in DC SCCBs based on normally-on SiC JFET devices. (4) Coordinated protection methods for SCCBs based on multiple normally-on SiC JFET devices.
Keywords：DC distribution network, solid-state circuit breaker, silicon carbide junction field-effect transistor topology, snubber circuits
中图分类号：TM561
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.231806
湖南省自然科学基金资助项目（2021JJ40172）。
收稿日期 2023-10-27
改稿日期 2023-12-21
何 东 男，1986年生，博士，讲师，硕士生导师，研究方向为直流配电网故障保护方法及碳化硅固态断路器。
E-mail: hd861116@163.com
兰 征 男，1985年生，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为电力电子技术及其在电力系统中的应用、新能源发电与微电网。
E-mail: lan@hut.edu.cn（通信作者）
（编辑 郭丽军）