本发明专利技术属于固态开关领域，具体涉及了一种基于半导体模块的固态开关及半导体模块利用率提升方法，旨在解决现有技术无法使用半导体模块的多个器件来提升器件利用率，降低损耗、减少资源消耗的问题。本发明专利技术包括：半导体模块1包括全控器件S1和全控器件S3，半导体模块2包括全控器件S2和全控器件S4；全控器件S1和全控器件S2串联构成固态开关的主通流支路，用于实现主支路两侧的系统中的电流流通；全控器件S3、全控器件S4和避雷器MOV1串联构成固态开关的能量吸收支路，用于吸收系统故障时的故障电流及能量；避雷器MOV2和避雷器MOV3为固态开关的承压模块，用于承受器件开断的部分电压，降低避雷器MOV1承受的静态电压。本发明专利技术器件利用率高，损耗低、资源消耗小。资源消耗小。资源消耗小。
【技术实现步骤摘要】
基于半导体模块的固态开关及半导体模块利用率提升方法
[0001]本专利技术属于固态开关领域，具体涉及了一种基于半导体模块的固态开关及半导体模块利用率提升方法。
技术介绍
[0002]对半导体器件芯片而言，目前的大功率商业化半导体芯片多面向高频变换器场景研发，其设计参数需综合考虑开关频率、导通损耗、开关损耗、器件耐压等指标，在多目标优化过程多参数间需要相互妥协。因此传统器件的导通损耗对固态开关这一特定低频应用场景而言普遍偏高，一方面多个固态开关装入系统显著降低了系统效率和器件利用率，另一方面大功率固态开关需要单独匹配水冷系统，显著增加了固态开关产品的成本、体积、复杂度、降低了产品可靠性。
[0003]而对半导体器件模块而言，目前的大功率半导体模块（如：晶闸管、IGBT、SiC MOSFET等）多以桥臂形式封装成模块，如图1所示，从而使其更适配变流器场景。而固态开关通常面临双向阻断故障的应用场景，需要半导体器件反向并联或串联。这就导致在通常情况下一个模块难以满足固态开关的需求，桥臂形式封装的大功率半导体模块通常只能有一个用于固态开关中发挥作用，器件利用率只有一半，这大大增加了固态开关中半导体模块的使用数量。
[0004]已有技术一般只能通过一些方法来改善避雷器(MOV)的特性曲线，从而尽可能提高模块中半导体器件的电压利用率，主要包括：（1）采用瞬态电压抑制（TVS）二极管替代MOV，但是成本特别高昂，（2）通过并联多个MOV，使得单个MOV的最大电流减小，从而减小Vres的值，这个方法也增加了系统的体积和成本；（3）通过间隙避雷器和MOV串联混合使用[1]，但是有间隙避雷器体积较大，另外特性离散，寿命不确定。
[0005]总之，现有方法都是在半导体模块的低利用率基础上去想办法提高单器件的电压或者电流利用率，对尽可能多的使用模块中器件的数量方面研究较少。
[0006]以下文献是与本专利技术相关的技术背景资料：[1] 张翔宇、刘珂鑫、齐磊、马慧远，高压固态半导体开关器件及提高该电压利用率方法和应用，2021
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24，CN2021109777792。
技术实现思路
[0007]为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术无法使用半导体模块的多个器件来提升器件利用率，降低损耗、减少资源消耗的问题，本专利技术提供了一种基于半导体模块的固态开关，所述固态开关包括半导体模块1、半导体模块2、避雷器MOV1、避雷器MOV2和避雷器MOV3；所述半导体模块1包括全控器件S1和全控器件S3，所述半导体模块2包括全控器件S2和全控器件S4；所述全控器件S1和所述全控器件S2串联构成所述固态开关的主通流支路，用于实
现主支路两侧的系统中的电流流通；所述全控器件S3、所述全控器件S4和所述避雷器MOV1串联构成所述固态开关的能量吸收支路，用于吸收系统故障时的故障电流及能量；所述避雷器MOV2和所述避雷器MOV3为所述固态开关的承压模块，用于承受器件开断的部分电压，降低所述避雷器MOV1承受的静态电压。
[0008]在一些优选的实施例中，所述半导体模块1还设置有二极管D1、二极管D3；所述二极管D1并联设置于所述全控器件S1的两端，所述二极管D3并联设置于所述全控器件S3的两端。
[0009]在一些优选的实施例中，所述半导体模块2还设置有二极管D2、二极管D4；所述二极管D2并联设置于所述全控器件S2的两端，所述二极管D4并联设置于所述全控器件S4的两端。
[0010]在一些优选的实施例中，所述固态开关，其部件连接关系为：所述全控器件S1的第一端、所述二极管D1的阳极、所述全控器件S2的第一端以及所述二极管D2的阳极连接到一起；所述全控器件S1的第二端、所述二极管D1的阴极、所述全控器件S3的第一端、所述二极管D3的阳极以及所述避雷器MOV2的第一端连接到一起作为所述固态开关的输入端；所述全控器件S3的第二端、所述二极管D3的阴极以及所述避雷器MOV2的第二端连接至所述避雷器MOV1的第一端；所述全控器件S2的第二端、所述二极管D2的阴极、所述全控器件S4的第一端、所述二极管D4的阳极以及所述避雷器MOV3的第一端连接到一起作为所述固态开关的输出端；所述全控器件S4的第二端、所述二极管D4的阴极以及所述避雷器MOV3的第二端连接至所述避雷器MOV1的第二端。
[0011]在一些优选的实施例中，所述半导体模块1为单个模块组成的单向电路，或者由两个模块组成的双向电路，或者由多个模块串联组成的电路；所述半导体模块2为单个模块组成的单向电路，或者由两个模块组成的双向电路，或者由多个模块串联组成的电路。
[0012]在一些优选的实施例中，所述半导体模块1为IGBT模块、IGCT模块、MOSFET模块、SiC模块、或者GaN模块中的一种；所述半导体模块2为IGBT模块、IGCT模块、MOSFET模块、SiC模块、或者GaN模块中的一种。
[0013]本专利技术的另一方面，提出了一种固态开关的半导体模块利用率提升方法，基于上述的基于半导体模块的固态开关，所述半导体模块利用率提升方法为：根据系统最大故障电流、系统电感以及避雷器MOV1的钳位电压，计算避雷器MOV1的吸收能量，根据避雷器MOV1的静态额定电压和系统电压，计算避雷器MOV2和避雷器MOV3的承受电压；基于所述避雷器MOV1的吸收能量以及所述避雷器MOV2和避雷器MOV3的承受电压，进行避雷器MOV1、避雷器MOV2和避雷器MOV3的配置；基于配置好的固态开关，实现系统电网稳态和短路故障暂态的双向开断控制。
[0014]在一些优选的实施例中，所述避雷器MOV1的吸收能量，其表示为：
其中，为避雷器MOV1的吸收能量，为系统最大故障电流，为系统电感，为避雷器MOV1的钳位电压。
[0015]在一些优选的实施例中，所述避雷器MOV2和避雷器MOV3的承受电压，其表示为：其中，为避雷器MOV2或避雷器MOV3的承受电压，为系统电压，为避雷器MOV1的静态额定电压。
[0016]在一些优选的实施例中，所述系统电网稳态和短路故障暂态的双向开断控制，其方法为：系统电网稳态时，主通流支路的全控器件S1和全控器件S2处于导通状态，正常导通系统电流，固态开关对系统不产生影响；若系统右侧发生短路故障，导通能量吸收支路的全控器件S4，并关断主通流支路的全控器件S1，当全控器件S1关断，故障电流流过避雷器MOV1，并触发避雷器MOV1迅速进入钳位吸能状态，故障电流由避雷器MOV1进行吸能，故障电流逐步降低至0，避雷器MOV1的电压逐渐回归稳态，当故障电流下降到0后，关断导通能量吸收支路的全控器件S4，避雷器MOV3接入系统，避雷器MOV1与避雷器MOV3共同承受系统电压；若系统左侧发生短路故障，导通能量吸收支路的全控器件S3，并关断主通流支路的全控器件S2，当全控器件S2关断，故障电流流过避雷器MOV1，并触发避雷器MOV1迅速进入钳位吸能状态，故障电流由避雷器MOV1进行吸能，故障电流逐步降低至0，本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于半导体模块的固态开关，其特征在于，所述固态开关包括半导体模块1、半导体模块2、避雷器MOV1、避雷器MOV2和避雷器MOV3；所述半导体模块1包括全控器件S1和全控器件S3，所述半导体模块2包括全控器件S2和全控器件S4；所述全控器件S1和所述全控器件S2串联构成所述固态开关的主通流支路，用于实现主支路两侧的系统中的电流流通；所述全控器件S3、所述全控器件S4和所述避雷器MOV1串联构成所述固态开关的能量吸收支路，用于吸收系统故障时的故障电流及能量；所述避雷器MOV2和所述避雷器MOV3为所述固态开关的承压模块，用于承受器件开断的部分电压，降低所述避雷器MOV1承受的静态电压。2.根据权利要求1所述的基于半导体模块的固态开关，其特征在于，所述半导体模块1还设置有二极管D1、二极管D3；所述二极管D1并联设置于所述全控器件S1的两端，所述二极管D3并联设置于所述全控器件S3的两端。3.根据权利要求2所述的基于半导体模块的固态开关，其特征在于，所述半导体模块2还设置有二极管D2、二极管D4；所述二极管D2并联设置于所述全控器件S2的两端，所述二极管D4并联设置于所述全控器件S4的两端。4.根据权利要求3所述的基于半导体模块的固态开关，其特征在于，所述固态开关，其部件连接关系为：所述全控器件S1的第一端、所述二极管D1的阳极、所述全控器件S2的第一端以及所述二极管D2的阳极连接到一起；所述全控器件S1的第二端、所述二极管D1的阴极、所述全控器件S3的第一端、所述二极管D3的阳极以及所述避雷器MOV2的第一端连接到一起作为所述固态开关的输入端；所述全控器件S3的第二端、所述二极管D3的阴极以及所述避雷器MOV2的第二端连接至所述避雷器MOV1的第一端；所述全控器件S2的第二端、所述二极管D2的阴极、所述全控器件S4的第一端、所述二极管D4的阳极以及所述避雷器MOV3的第一端连接到一起作为所述固态开关的输出端；所述全控器件S4的第二端、所述二极管D4的阴极以及所述避雷器MOV3的第二端连接至所述避雷器MOV1的第二端。5.根据权利要求1
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4任一项所述的基于半导体模块的固态开关，其特征在于，所述半导体模块1为单个模块组成的单向电路，或者由两个模块组成的双向电路，或者由多个模块串联组成的电路；所述半导体模块2为单个模块组成的单向电路，或者由两个模块组成的双向电路，或者由多个模块串联组成的电路。6.根据权利要求5所述的基于半导体模块的固态开关，其特征在于，所述半导体模块1为IGBT模块、IGCT模块、MOSFET模块、Si...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱晋，曾庆鹏，韦统振，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：
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