重庆大学李辉等：基于SiC MOSFET直流固态断路器关断初期电压尖峰抑制方法
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输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员李辉、廖兴林等，在2018年第5期《电工技术学报》上撰文，针对碳化硅金属氧化物场效应晶体管（SiCMOSFET）直流固态断路器关断速度快、关断初期易产生较大电压尖峰及振荡问题，提出一种抑制方法。
首先，建立SiC MOSFET等效电路模型，分析其不同寄生电感对固态断路器关断初期电压波形的影响。其次，利用不同电压等级金属氧化物压敏电阻（MOV）吸收能量不同的思想，提出并联MOV作为缓冲电路来抑制断路器关断初期电压尖峰的方法，在分析其工作原理和抑制效果的基础上，提出了选择缓冲MOV额定电压的依据。最后，搭建了基于SiC MOSFET直流断路器实验平台，对不同寄生电感、不同器件下的开断特性进行了比较，并对所提方法的有效性进行了验证。
结果表明，相比Si IGBT固态断路器，SiC MOSFET固态断路器具有更为严重的电压尖峰和振荡问题，且随着寄生电感的增加越来越严重，所提出的方法可有效抑制其电压尖峰并减弱振荡。
固态直流断路器能迅速隔离和清除故障，是直流系统不可或缺的设备之一[1-5]。随着碳化硅（Silicon Carbide，SiC）技术的不断进步，由碳化硅金属氧化物场效应晶体管（Silicon CarbideMetal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor，SiC MOSFET）构成的直流固态断路器因开关速度快，导通损耗低，且能工作在较高环境温度下[6-8]，近年来在配电网应用中受到关注[9-12]。
然而，相比Si器件，SiC MOSFET关断速度快，高达几十纳秒，很容易导致较大的瞬时电压尖峰[13,14]。因此，如何抑制SiC MOSFET关断过程中的电压振荡，降低峰值电压，对于直流固态断路器以及直流系统的安全稳定运行具有重要意义。
国内外对抑制固态断路器关断初期的过电压已开展了一些研究。文献[15,16]研制的10 kV断路器，采用电阻-电容(ResistanceCapacitance，RC)和电阻-电容-二极管(ResistanceCapacitance Diode，RCD)缓冲电路的方法来抑制断路器关断初期的电压尖峰，但过电压峰值仍达到21.4 kV和28.4 kV。
文献[17]提出采用增加栅极驱动电阻的方法来抑制关断初期的电压尖峰，但同时增加了断路器损耗，还可能由于关断时间过长导致功率器件的pn结过热，损坏器件。
文献[18,19]采用di/dt控制电路来实现电压尖峰的抑制，但实现过于复杂，元器件太多，可靠性也会受到一定程度的影响。上述方法主要针对基于Si功率器件的直流固态断路器，而SiC MOSFET断路器关断速度更快，电流变化率更大，关断初期的瞬时电压尖峰问题更为严重。
基于此，在SiC MOSFET断路器中，迫切需要一种简单易行、可靠性高，且能有效抑制关断过程中过大的电压尖峰的方法来确保直流固态断路器安全稳定运行。
本文首先分析了SiC MOSFET固态断路器的基本工作过程；然后简单介绍了SiC MOSFET的建模过程，分析了寄生电感对固态断路器关断过程的影响，在此基础上，提出了采用并联金属氧化物压敏电阻（Metal OxygenVaristor，MOV）作为缓冲电路来抑制断路器关断初期电压尖峰的方法；接着，详细分析了该方法的工作原理和抑制效果，并提出了根据缓冲MOV和吸收能量MOV电压比值来选择缓冲MOV额定电压的依据；最后，搭建了基于SiC MOSFET 和Si IGBT的直流断路器实验平台，比较分析了其开断性能，并对所提方法的有效性进行了验证。
图13 实验平台
结论
本文针对SiC MOSFET开关速度快，可能会导致其固态直流断路器关断初期产生较大电压尖峰以及振荡问题，建立了SiC MOSFET断路器模型，分析了不同寄生电感对断路器关断过程的影响，为抑制其关断初期的电压尖峰，提出了一种采用并联MOV作为缓冲电路的方法，并通过仿真及实验进行了验证。所得结论如下：
1）相比Si IGBT直流固态断路器，基于SiC MOSFET直流固态断路器在关断初期存在明显的电压尖峰以及振荡的问题，且随着寄生电感的增加，其关断初期电压尖峰以及振荡问题更为严重。
2）利用不同电压等级MOV具有不同吸收能量的作用，根据缓冲MOV和吸收能量MOV的电压比值，提出了选择缓冲MOV额定电压的依据，通过仿真和实验证明，所提出的并联MOV缓冲电路设计方法在抑制SiC MOSFET直流断路器关断初期电压尖峰和振荡方面的有效性。
由于本文的电压和电流相对较低，MOV的动作延迟在仿真和实验过程中不明显，忽略了其动作延迟可能带来的不利影响，若用在高压和大电流场合，则需要考虑MOV的延迟特性，这将在后续工作中进一步展开。