固态断路器的电压钳位元件

电压钳位元件对于固态断路器 (SSCB) 和混合断路器 (HCB) 来说都是必不可少的，以保护固态开关免受过电压损坏并吸收系统环路电感中的剩余能量。

本文从工作电压范围、浪涌电流能力、能量吸收能力、成本等方面比较了各种电压钳位元件(例如金属氧化物压敏电阻 [MOV]、瞬态电压抑制 [TVS] 二极管、基于电容器的缓冲电路等)。

SSCB 和 HCB

SSCB 具有极快的故障隔离和断流而不产生电弧的优点。由于功率半导体器件(如碳化硅 (SiC) MOSFET)的进步，SSCB 越来越受欢迎，这些器件可大大降低传导损耗。HCB 通过将机械开关和固态开关集成在一起，具有传导损耗最小和断流速度相对较快的优点。

电压钳位元件(图 1)对于 SSCB 和 HCB 都至关重要。它有两个用途：

· 限制功率半导体器件两端的峰值电压，防止过压损坏

· 固态开关关闭后，耗散系统寄生电感中的剩余能量

利用V pk /V op比率来比较各种电压钳位元件并评估其性能。

图 1：SSCB 和 HCB 都需要加入电压钳位元件，这是其基本结构所必需的。左侧显示了 SSCB 的基本结构;右侧显示了 HCB 的基本结构。(来源：IEEE)

金属氧化物变阻器

MOV 是 SSCB 和 HCB 中采用的主要电压钳位元件。这些元件采用各种材料制成，例如氧化锌和氧化硅。在低施加电压水平(低于钳位电压)下，MOV 表现出高阻抗特性。随着电压增加到钳位电压，MOV 的阻抗迅速下降，从而使电流流动。

市场上的 MOV 具有多种封装配置，从小型表面贴装到大型螺丝安装。这些 MOV 还提供广泛的电压范围，一些设备能够在高达 3.5 kVDC 的电压下工作。此外，它们还具有显著的浪涌电流和能量吸收能力。MOV 还可以双向传导电流和电压，与 TVS 二极管等替代电压钳位设备相比，它们非常便宜。

TVS 二极管

瞬态电压抑制 (TVS) 二极管经常用作 SSCB 或 HCB 中的电压钳位元件。这些二极管的功能类似于雪崩二极管，但可以承受高峰值电流和能量。

TVS 二极管可以表现出单向或双向行为，并且具有与 MOV 类似的快速响应时间。与 MOV 相比，TVS 二极管的电压范围有限(单个器件小于 530 V)，并且处理高峰值电流的能力有限，因为它们只能在小型表面贴装和通孔封装器件中使用。为了获得更高的额定电压或吸收更多的能量，必须将 TVS 二极管串联或并联。

TVS 二极管的另一个缺点是与 MOV 相比成本相对较高。即使能量吸收和电压需求相同，TVS 二极管的价格也可能比 MOV 高出几倍。

基于电容器的电压钳位电路

电容器是电力电子中常用的储能元件。它还可以用于电压钳位电路，以吸收存储在系统寄生电感中的任何剩余能量。基于电容器的缓冲电路通常用于电力电子转换器，以限制固态器件关闭期间电压的变化率并减轻电压尖峰。

对于 SSCB，依靠电容器的缓冲电路可以有效限制半导体开关关断过程中电压的变化率 (dV/dt)。此功能对于使用晶闸管的 SSCB 尤为重要。缓冲电路有多种类型，包括仅由电容器组成的电路、RC 缓冲电路和 RCD 缓冲电路(包含电阻器、二极管和电容器)。

实验结果

MOV 器件具有多种优点，包括工作电压范围广(每个器件高达 3.5 kVDC)、高浪涌电流和能量吸收能力，并且与其他电压钳位元件相比成本适中。

然而，与 TVS 二极管 (>1.59) 相比，该元件的峰值钳位电压与最大工作电压之比 (V pk /V op ) 大幅升高 (>1.63)。建议采用多种技术来降低 MOV 的峰值电压与输出电压之比 (V pk /V op )。这些技术包括与 MOV 串联使用有源可调开关，或将 MOV 与固态器件以续流配置连接起来。

与 MOV 相比，TVS 二极管的峰值钳位电压较低。但是，它们的电压范围有限(单个器件小于 530 V)，处理峰值电流的能力也有限(只有小型表面贴装和通孔封装器件可用)。为了获得更高的额定电压或吸收更多的能量，需要以串联或并联配置连接更多的 TVS 二极管。

TVS 二极管的另一个缺点是其成本比 MOV 高得多。即使它们具有相同的能量吸收和电压需求，TVS 二极管的成本也可能比 MOV 高出几倍。基于电容器的缓冲电路可以用作 SSCB 的电压钳位组件。这些电路的一个优点是它们能够控制关断 dV/dt，从而减少故障电流中断期间固态开关上的能量应力。

存在各种类型的基于电容器的缓冲电路，例如 RC 缓冲电路和 RCD 缓冲电路。基于电容器的缓冲电路的一个固有问题是固态器件关闭后会出现电流振荡。为了解决这个问题，文献建议使用由 MOV 和电容器串联组成的缓冲电路。通过仔细选择具有适当电压水平的 MOV，该电路可以有效抑制振荡。