碳化硅MOSFET用于500V低壓直流斷路器的可行性研究*

丁銳，石新春

（華北電力大學新能源與電力系統國家重點實驗室，河北保定071003）

0 引 言

低壓直流電網具有電源轉換效率高、成本低、節約空間和供電可靠性高等一系列優點，未來有望作為交流電網的重要補充而實現大規模的應用。現今制約低壓直流電網發展的一個重要因素是直流斷路器。由于直流電弧沒有過零點，開斷較為困難。至今，所有商業化的直流斷路器均基于人為創造過零點的原理達到開斷直流電流的目的，它們常用于負荷電流的關合與開斷，而對短路電流的開斷能力很低。所以，如何提高直流斷路器的開斷容量成為了一道復雜的難題，這也是直流斷路器發展所面臨的一大挑戰。

另外，在系統發生故障時直流斷路器不僅能開斷故障電流，而且要求其速度遠快于交流斷路器，以防止損壞昂貴的用電設備。缺乏能快速可靠切斷短路電流的直流斷路器始終是一大瓶頸，制約著低壓直流電網的快速發展，因此，研發具有可靠、快速切斷短路電流的直流斷路器已成為緊迫的任務。現有材料在研制斷路器時很難同時滿足開斷容量和開斷時間的需求。近些年隨著碳化硅MOSFET研究的不斷成熟，其具有低導通阻抗、擊穿電壓高、耐高溫、開斷速度快等優點而備受關注，其優異的開斷性能有望作為研制低壓直流斷路器的理想選擇［1-4］。

1 直流斷路器工作電壓等級

電壓等級是低壓直流電網的重要因素。目前，按照交流配電網的電壓等級確定直流配電網的電壓等級，可分為：（1）12 V-24 V：家庭或者辦公場所供電，如為筆記本電腦、顯示器和電視機等低功率負載供電；（2）48 V：用在通信部門，為部分通信設備供電；（3）220 V：對應單相220 V交流電源電壓有效值，一些額定電壓為220 V的交流電阻性負載（如加熱器）可以直接運行在該電壓等級的直流配電網中；（4）240 V：通信用直流供電系統電壓等級，用來代替220 V交流電和傳統UPS結合的供電方式，既安全可靠又經濟節能；（5）310 V：對應單相220 V交流電源峰值電壓，與大電容濾波整流電路輸出的直流電壓相當，此電壓等級能兼容部分現有負載；（6）400 V：對應380 V交流電壓有效值；（7）500 V-550 V：對應380 V交流電三相整流后的直流電壓，連接變頻器可為380 V電動機供電，其中點可分為半電壓250 V供大多數220 V電器使用［5-6］。因此，低壓直流電網電壓取500 V，三端供電應是照明與動力合用的最佳選擇。此外，MOSFET的操作過電壓約為其實際工作電壓的2倍，故擊穿電壓為1.2 kV的MOSFET用于500 V直流電路較為可行和安全。

絕緣是影響直流斷路器工作電壓等級選取的一個重要因素。大多數絕緣材料含有很多不同的介質，當加交流電壓時，電壓按材料的介電常數和尺寸等參數的比例來分配，而直流電壓只按材料的電阻比例來分配。交流電壓比直流電壓更容易發生熱擊穿，通常直流耐壓試驗的試驗電壓要比交流耐壓試驗電壓高［7］。在GB 755-2008與IEEE標準95均規定：多數情況下同一絕緣體直流耐壓與交流耐壓的試驗電壓之比為1.7。因此，380 V三相交流電的絕緣材料完全可以滿足500 V直流電壓絕緣的需求，而不需要采用新的絕緣材料［8］。

用戶的用電安全也是直流電壓等級選取的另一個重要指標，在現今交流220 V的工作環境下，其安全事故發生率特別是涉及生命安全的發生率仍在可接受范圍內。若有人發生觸電后能被及時發現，通常不會危及到生命。對人體不引起有害生理效應的最大容許安全電流值直流約為交流的3倍，直流為30 mA，交流為10 mA［9］。人對直流的抵抗力和擺脫能力也均強于交流，對工頻電流的擺脫能力男性約為16 mA，女性約為10.5 mA（平均）。對直流電流的擺脫能力男性約為76 mA，女性約為51 mA（平均）［10］。因此，相較于220 V交流電500 V直流電具有更高的用電安全性。

2 直流電路模型中各元件參數的確定

一個簡單的低壓直流電路應該包括直流電源、斷路器和直流負載，其簡化模型如圖1所示：

圖1 簡易低壓直流電路模型Fig.1 Simple model of low voltage DC circuit

為更準確地了解斷路器的工作環境，需要確定各元件的大致參數來模擬斷路器的具體工作場景。

2.1 電源電壓及內阻的確定

電源電壓取斷路器的工作電壓500 V。考慮到當今居民家用電器的功率基本不會超過3 kW。因此，需要保證該MOSFET斷路器在額定電壓為500 V和工作電流為6 A時，且當負載發生短路故障時也能正常工作。此外，直流電源的供電效率一般不低于95%，可據此估算直流電源的內阻大小。

式中P0=3 000W；I=6 A，由上式可算出電源內阻r≤4.39Ω，為便于計算電源取最低效率，此時其內阻為4.39Ω。其中，η表示電源供電效率；P0為電源輸出功率；P1表示電源輸入功率；I為電路中電流；r為電源內阻。故可用幅值為500 V內阻為4.39Ω的直流電源來代替圖1模型中的直流電源。

2.2 導線參數的估算

根據居民家庭的實際情況，圖1模型中的導線可用長度為100m的單回銅芯導線代替，此長度基本能滿足各種家用需要。根據國際IEC 60335家用電器安全第一部分：通用要求中的規定［11］：額定電流大于3 A小于6A的電器可以采用截面為0.75 mm2～1 mm2的銅芯導線；額定電流大于6 A小于10 A的電器可以采用截面為1 mm2～1.5 mm2的銅芯導線。為了安全考慮此處可選用1.5 mm2的銅芯導線。據此可計算出導線的電阻及電感大小（此處不考慮線路間的耦合和其他因素影響）。

式中ρ=0.017 5Ω.mm2/m是銅電阻率；R是導線的電阻；l=100 m是導線的長度；s=1.5 mm2是導線截面積；L是導線電感；μ0=4π*10-7H/m是真空電導率；r是導線半徑，據此可算出R=1.17Ω，L=236.4μH。

2.3 直流負載的選取

直流負載有很多種，此處選取家庭用電功率最大制冷時額定功率為3 kW的變頻空調。查閱格力廠家生產的產品具體參數可知，變頻空調在正常工作時電阻約為80Ω，電感部分來源于空調變頻器中的電抗器。其中，輸入端電抗器的電感為1.4 mH，輸出端電抗器中的電感為0.7 mH。負載中其他電感及濾波電容忽略不計。故負載部分可用一個電感為2.1 mH和一個阻值為80Ω的電阻等效代替。因此，將圖1所示的低壓直流電網簡化模型具體化如圖2所示（此電路不包括MOSFET的驅動部分）。

圖2 簡單低壓直流電路Fig.2 Simple low voltage DC circuit

式中直流電源E=500 V；r=4.39Ω為電源內阻；R1=1.17Ω是導線的電阻；L1=236.4μH為導線的電感；R2=80Ω是負載工作時的電阻（此處不考慮溫度對負載電阻的影響）；L2=2.1 mH為負載電感大小。

3 斷路器分斷時過電壓分析

在圖2電路中碳化硅MOSFET選用型號為CMF20120D，其中VDS=1 200 V，ID（MAX）=42 A，RDS（on）=80 mΩ。因此，需要保證該 MOSFET在斷開電路各種狀態時，電路中的瞬時過電壓都不能超過其擊穿電壓1 200 V。

3.1 斷開正常工作時的過電壓

在圖2的低壓直流電路中，電路工作時的電流為6 A，MOSFET斷開電路時的過電壓U方程為：

由式（5）可知，MOSFET的開斷過電壓不僅受電路中的電流和電感影響，還受MOSFET自身開斷時間長短的影響。影響MOSFET開斷時間的主要因素是柵極驅動電阻，柵極驅動電阻越大會引起柵極電流明顯減小，導致器件輸入電容的充放電速度明顯下降。因此，可以適當地增大柵極驅動電阻來延長MOSFET的關斷時間［12］。綜合考慮斷路器的開斷速度和其開斷過電壓，可以選擇合適的驅動電阻使其開斷時間在50μs左右，既滿足斷路器快速切斷電路的要求也不引起過大的開斷過電壓。由（5）式計算可知分斷正常工作時過電壓約為780.37 V，遠遠低于其擊穿電壓1 200 V。

3.2 分斷短路故障時的過電壓計算

當圖2所示系統發生負載短路故障時，其短路電流I可由式（7）計算。

系統發生短路時MOSFET斷開時的過電壓為：

由式（8）可得U=925.18 V。終上所述，當控制MOSFET的關斷時間在50μs時，擊穿電壓為1.2 kV的碳化硅MOSFET可以正常開斷500 V直流電路的任何狀態，并使得MOSFET的過電壓不至于過高而影響器件乃至整個系統的安全，50μs的關斷時間遠遠小于交流開關的動作時間可以更好地保護用電設備。因此，擊穿電壓為1.2 kV的碳化硅MOSFET用于500 V直流電路是完全可行的。

4 低壓直流電路模型的仿真分析

利用saber軟件強大的建模和仿真能力，通過CMF20120D碳化硅MOSFET自身的等效電路和生產廠家提供的實際參數和datasheet來建立模型，并模擬其在500 V直流電路中實際工作情形，觀察MOSFET在關斷電路正常工作和短路狀態時的分斷過電壓，來驗證理論設想的可行性。

Saber軟件下的 MOSFET等效電路圖如圖3所示。

圖3 MOSFET等效電路Fig.3 MOSFET equivalent circuit

圖3中，為內部門極電阻，Rd為漏極電阻，Rs為源級電阻，三個極間電容滿足以下關系：

等效電路中的并不影響器件的開關特性，MOSFET相應的靜態參數可以通過器件的輸出特性和轉移特性獲得，其相應的動態特性需要從器件手冊中Crss，Coss，Ciss和Vgs關系曲線獲得。再通過 saber軟件中的描點建模法將特性曲線和參數導入要建立的碳化硅MOSFET模型中，完成建模。接下來建立圖4的測試仿真電路。

圖4 簡易測試電路Fig.4 Simple test circuit

電路正常工作時MOSFET斷開，其二端的分斷過電壓如圖5所示。

從圖中可看出，MOSFET約從0.497 40 s開始關斷，至0.497 45 s左右關斷結束，整個持續時間約為50μs，分斷過電壓的最大值約為808.57 V，遠遠低于MOSFET的擊穿電壓1 200 V。不會對斷路器的安全工作帶來隱患。

當系統發生短路故障時，由于短路電流很大，此時容易引起很大的分斷過電壓，是對斷路器能否穩定可靠安全的切斷電路的重大考驗，其分斷過電壓仿真波形如圖6所示。

圖5 分斷正常工作時的波形Fig.5 Waveform of on the breaker normal working conditions

圖6 分斷短路故障時的波形Fig.6 Waveform of the breaker short circuit fault

仿真結果顯示，短路時由于短路電流較大，此時分斷過電壓的峰值大于分斷正常工作時的過電壓，分斷過電壓峰值為1 084.6 V，仍在安全范圍之內。仿真結果比理論計算結果的過電壓數值大，有一定誤差，誤差與MOSFET自身的雜散電感，以及實際關斷時間略低于50μs等因素有關，誤差在允許范圍內可以接受。

5 兩種過電壓保護電路的設計

為了防止在某些特殊情況下，碳化硅MOSFET的開斷過電壓過大有可能超過其擊穿電壓1 200 V引起MOSFET的損壞，需要在電路中增加保護元件保護MOSFET更加安全可靠地工作。現設計兩種驅動保護電路，第一種如圖7所示。

圖中為驅動電阻，U為壓敏電阻，其敏感電壓為900 V。當MOSFET二端過電壓達到900 V時，壓敏電阻導通來保護MOSFET不被擊穿，為限流電阻可以取100Ω，作用是當驅動信號被開關斷開時，其二端電壓仍能維持MOSFET在導通和關斷的臨界狀態，來釋放電路儲能元件中儲存的能量，此處可以取1.7Ω。圖中其他元件參數不變，短路時的仿真結果如圖8所示。

圖7 過電壓保護電路（1）Fig.7 Overvoltage protection circuit（1）

圖8 過電壓保護（1）分斷過電壓波形Fig.8 Overvoltage protection（1）split off overvoltage waveform

仿真結果表明增加壓敏電阻保護后，其分斷短路過電壓最大值只有972.55 V，遠低于不加保護時的1 084.6 V，且此時的關斷時間約為60μs不影響開關的快速動作。因此，采用這種過電壓保護能使碳化硅MOSFET在500 V直流電路中更加安全穩定的工作。

第二種利用壓敏電阻的過電壓保護電路是將壓敏電阻直接并聯在MOSFET二端，如圖9所示。

圖9 驅動保護電路（2）Fig.9 Driven protection circuit（2）

壓敏電阻的敏感電壓仍為900 V，當分斷過電壓超過900 V時，壓敏電阻導通將MOSFET直接短路來保護MOSFET，此時由壓敏電阻來消耗電路中電感元件儲存的能量W=0.5·L·I2=9.45 J，現在市場上壓敏電阻2ms的能量耐量可達720 J完全滿足需求。采用該驅動保護時的分斷短路過電壓仿真結果如圖10所示。

圖10 驅動保護（2）分斷過電壓波形Fig.10 Driven protection（2）split off overvoltage waveform

與第一種過電壓保護相比，第二種過電壓保護在分斷電路的時間上基本一致，但分斷時過電壓的最大值為934.64 V，略低于第一種。同時電路中儲能元件儲存的能量完全由壓敏電阻消耗不由MOSFET來承擔，雖然壓敏電阻體積略大但對MOSFET的保護更加可靠。

6 結束語

碳化硅MOSFET的優越性能遠遠好于目前市場上廣泛應用的硅MOSFET，其優良的開關特性非常適用于制作斷路器，從理論和仿真結果也證明了市場上的擊穿電壓為1.2 kV的碳化硅MOSFET完全可以應用于500 V的直流斷路器，隨著碳化硅MOSFET研究的不斷成熟，其必將為直流斷路器的研究開啟一個新的篇章。