基于SiC JFET 的深海中壓DC/DC 變換器用雙線雙向阻斷固態(tài)斷路器設計

陳修林，劉可安，唐智鋒

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

深海作業(yè)級遙控潛水器（remotely operated vehicle，ROV）因其作業(yè)深度大、作業(yè)時間長，能夠抵抗相對惡劣的海洋環(huán)境，被廣泛應用于海洋考察、海洋工程等領域［1］。與傳統液壓驅動ROV相比，電驅動ROV（EROV）具有體積小、重量輕、更靈活、環(huán)境適應性更好等優(yōu)勢，已成為ROV發(fā)展重要方向之一［2］。工作級電驅水下機器人Quantum/EV搭載了新型長距離直流輸電解決方案以及本地化管理的直流電力系統，其作業(yè)性能至少提升20%，可極大地提高我國在深海油氣、海底科考、海上打撈等方面的作業(yè)能力［3］。DC/DC變換器是Quantum/EV直流輸電系統的關鍵部件，為EROV的各個子系統供電。

固態(tài)斷路器（solid-state circuit breaker，SSCB）以功率半導體器件作為主開關器件，配合快速的浪涌吸收器件，其斷開時間可做到微秒級，故障響應速度已經足夠；同時，信息反饋以及接受控制指令也相對容易實現，但中壓等級的常導通、雙線雙向阻斷特性要求實現困難。JFET在門極不施加電壓時是導通的，DC/DC上電時利用JFET的導通特性達到黑啟動目的。常用功率半導體器件單管阻斷電壓有限，不能滿足EROV的中壓應用，一些高耐壓器件（10 kV 等級）可以滿足EROV 的中壓應用，但或價格昂貴，或處于實驗室驗證階段。為了使SSCB應用于更高電壓的場合，通常將其主開關功率半導體器件進行串聯擴容，提高其整體耐壓能力。針對功率半導體器件串聯擴容技術的各串聯器件動、靜態(tài)不均壓問題［4］，國內外學者進行了深入的研究。Juergen Biela提出了一種單外部驅動超級共源共柵級聯結構（super cascode），其通過串聯N個JFET和一個低壓MOSFET實現，阻斷電壓是單個JFET阻斷電壓的N倍，該電路通過輔助元件來實現共源共柵中的靜態(tài)和動態(tài)平衡電壓分布［5-6］。Xijun Ni使用SiC JFET和MOSFET展示了一種6 kV SiC混合功率開關拓撲結構，針對串聯器件結構中的參數偏差問題，引入了一種優(yōu)化的電壓控制方法保證靜態(tài)和動態(tài)狀態(tài)下均壓效果，實現在沒有雪崩二極管的情況下顯著降低關斷開關損耗［7］。Gao Bo論證了已有的均壓電路缺乏雪崩能量處理能力，提出了一種保護雪崩二極管和底部JFET柵極的解決方案［8-9］。Song Xiaoqing提出一種15 kV/40 A SiC三端電源開關，與同等級SiC MOSFET 相比，在成本和導熱性方面其具有明顯優(yōu)勢［10-11］。Utkarsh Mehrotra 提出了一種雙向固態(tài)斷路器（BSSCB），深入探討了功率級的熱性能和半導體器件中的溫升限制［12］。上述文獻均在super cascode結構中串入了MOSFET進行控制，僅相當于對一個MOSFET的簡單控制，對于深海DC/DC變換器的SSCB的常導通需求無法滿足，同時雙線雙向阻斷的需求也要重新設計。本文提出一種雙線雙向阻斷固態(tài)斷路器（dual-wire bidirectional blocking SSCB，DWBB SSCB）設計方案來應對這些特殊需求，并同時滿足中壓SSCB的快速關斷要求。

1 DWBB SSCB簡介

DWBB SSCB 是DC/DC 的子部件，其作用是在DC/DC內部故障或者系統控制所需時斷開與中壓直流輸入的連接。根據功率需求，EROV配置有不同數量的DC/DC，以并聯方式為系統供電，因此在單個DC/DC故障時，要求其內的DWBB SSCB能快速斷開，并能有效地抑制因線路能量帶來的浪涌，以免影響其余的DC/DC運行。DWBB SSCB應及時地反饋其故障信息給系統，也能根據系統指令在DC/DC沒有故障時斷開，這個要求是因為水下設備要遵守的漏電檢測要求。當長距離線纜因為破損及其他原因導致漏電而被系統配置的漏電檢測裝置檢測到時，需要接受系統指令進行雙線斷開，用以查找或切斷漏電可能；同時，由于漏電檢測采用較高的交流電壓進行，DWBB SSCB須能雙向阻斷來保證漏電檢測的正常運行。深海線纜價格高昂，DC/DC如果能從中壓直流線上直接取電進行控制，實現黑啟動，將大大減小線纜成本。Quantum/EV的額定中壓直流電壓為4 500 V或6 000 V，從其上直接取電給控制系統比較困難。根據輸入串聯輸出并聯的主功率拓撲結構，本文創(chuàng)新地構建了一個易實現的輔助供電子系統，其利用輸入串聯分壓后獲取輔助供電，再并聯給DC/DC的控制系統供電，但前提是DWBB SSCB在上電之初是導通的。

DWBB SSCB的功能框圖如圖1所示，控制電源部分未體現。其包括串聯在中壓正負線上的串聯開關及浪涌吸收電路、電流檢測及比較電路、隔離驅動及狀態(tài)反饋電路。浪涌吸收電路由多個串聯的壓敏電阻組成，與串聯開關并聯，在串聯開關關斷時吸收線路上的浪涌能量。電流檢測及比較電路采用低阻值采樣電阻檢測電流，通過隔離放大電路將低幅值電流信號放大，然后經比較電路得到實時過流故障信號。隔離驅動電路接收到過流故障信號后從串聯開關的G端驅動其關斷，同時將故障信號ERR發(fā)送到控制器?？刂破饕部稍跊]有故障信號情況下控制串聯開關的關斷，通過CON信號下發(fā)指令。正/負線輸入端連接于串聯開關的D端，DC/DC功率變換部分則連接到串聯開關的S端。

圖1 DWBB SSCB 功能框圖Fig.1 Functional Block Diagram of DWBB SSCB

2 DWBB SSCB設計方案

本文主要敘述主功率電路部分（包括串聯開關硬件，靜、動態(tài)電路及雪崩能量處理電路）的分析設計，電流檢測、信號處理、驅動及電源等電路不再贅述。

2.1 串聯開關設計

為了滿足6 000 V中壓應用需求，串聯開關由8個1 200 V的SiC JFET器件（Q1～Q8）串聯而成，如圖2所示，包含均壓電路，形成一個三端開關，只需要一個驅動信號同步控制位于S端的兩個SiC JFET的關斷就能實現整條支路的關斷，相對于多驅動的拓撲結構大大降低了驅動電路的復雜程度，同時兩組級聯對稱的設計可以適用于輸入方向可變的工況，滿足多樣化的應用場景。每個SiC JFET 器件并聯一個高壓電容（C1～C8）用于動態(tài)均壓；均壓電阻（R1～R8）用來實現串聯器件的靜態(tài)均壓；雪崩二極管（D1～D7）用于電壓鉗位；壓敏電阻（MOV1～MOV5）用于吸收關斷后功率器件漏源極的過電壓。JFET 柵極上串聯的小電阻（Rg1～Rg8）用于防止SiC JFET的柵極擊穿［4］；同時為了提高雪崩能量處理能力，雪崩二極管串聯了一個功率電阻（RD1～RD7），用于降低其關斷開關損耗［4］。

本文對串聯開關關斷過程進行分析如下：當發(fā)生短路故障時，驅動電路接收到故障信號后，將-12 V的驅動電平加在G、S兩端，也就是Q1的柵源極上；當Q1的柵源極電壓下降至夾斷電壓，Q1關斷，其斷態(tài)電阻迅速增大，漏源極電壓持續(xù)上升，Q1的漏極電流分流，經Q2的G極至Q1的均壓電路；當Q2的負偏電壓達到其夾斷電壓時，Q2關斷；同理，隨著Q1～Q8依次完成關斷，最終實現串聯開關的關斷過程。在此過程中，Q1～Q7的電壓由于雪崩二極管D1～D7的存在，電位被鉗位；至于Q8，其電壓由浪涌吸收電路和浪涌能量確定，當浪涌能量大時，壓敏電阻上的電壓更高，可能最終導致Q8的電壓超高。因此，要對整個系統的浪涌能量進行評估。好在多個DC/DC 并聯使用時，單個DWBB SSCB的保護動作時，線路上的浪涌能量會被沒有保護的輸入電容吸收，大大減小了DWBB SSCB故障保護的浪涌壓力。這個串聯開關不能在關斷且其兩端存在高壓的情況下打開，因為均壓電容里的能量會擊穿JFET的門極，從而損壞整個串聯開關。因此，一旦發(fā)生故障保護，會保持故障信號，直至斷電重啟才能恢復。

2.2 靜態(tài)均壓電路設計

影響串聯開關靜態(tài)均壓的因素有器件本身特性差異、柵極驅動電路參數設計差異以及均壓電路參數差異［13］。整體表現為串聯開關的各個器件的自身斷態(tài)阻抗不同，而阻斷狀態(tài)下流過器件的漏電流是相同的，從而導致各開關器件的靜態(tài)分壓不均。

查閱器件數據手冊可知，SiC JFET 器件在關斷狀態(tài)下斷態(tài)電阻極大，在同一門極電壓下，漏極電壓越高，漏電流越大。根據不同溫度下的漏極漏電流曲線可推得，等效斷態(tài)電阻與漏極電壓成反比，與節(jié)溫也成反比。舉例來說，常溫下，本文選取的JFET 器件在800 V漏極電壓下的斷態(tài)電阻最小值為120 MΩ 左右，最大值為660 MΩ 左右。在 SiC JFET 的柵極并聯遠小于器件斷態(tài)電阻且阻值相同的靜態(tài)均壓電阻R1～R8，以改善靜態(tài)均壓效果。該靜態(tài)均壓電阻取值越小，均壓效果越好，但是流過均壓電阻的電流也會越大，使得電阻功率損耗越大。因此均壓電阻的取值應該綜合考慮均壓效果和功率損耗。

假設任意兩個SiC JFET 的靜態(tài)均壓值不平衡率小于10%［14］，即

式中：Vds_min——串聯開關在阻斷狀態(tài)下SiC JFET靜態(tài)均壓最小值；Vds_max——串聯開關在阻斷狀態(tài)下SiC JFET靜態(tài)均壓最大值。

阻斷狀態(tài)下流過器件的漏電流是相同的，則有

式中：Rs——串聯開關的靜態(tài)均壓電阻；Roff_min——JFET 斷態(tài)電阻最小值；Roff_max——JFET 斷態(tài)電阻最大值。

根據式（2）有

2.3 動態(tài)均壓電路設計

SiC JFET 的開通關斷時間在納秒級別，動態(tài)過程中的均壓問題是串聯開關應用的難點。實現動態(tài)均壓的原理主要通過外接緩沖電路來減小器件參數差異對動態(tài)分壓的影響，有以下幾種思路：1） 通過調整柵極驅動網絡來控制JFET 的關斷速度；2） 增加無源器件提高電路的穩(wěn)定性；3） 同步串聯器件的驅動信號；4）使用控制方法引入反饋以減小分壓差異。

本文使用無源動態(tài)均壓方法，通過在JFET漏極和源極之間添加吸收電路，并通過優(yōu)化參數設計改善SiC JFET 的動態(tài)均壓或對SiC JFET 漏源極過壓進行抑制，以實現串聯動態(tài)均壓和過流關斷的功能。串聯開關通過類似鏈式反應的方式逐個關斷8 個串聯的SiC JFET。理想情況下，C8吸收Q8柵極的所有電荷；C7吸收Q7柵極的所有電荷并加上來自C8向下流動的電荷［8］：

式中：△qCi——Ci向下流動的電荷；qDi——Qi漏極電荷，qGi——Qi柵極電荷。

以此類推，關斷過程中的所有電荷通過級聯傳播到Q1。假設SSCB關斷時刻實現串聯動態(tài)均壓，則每個JFET在關斷時刻的電荷量計算如下：

式中：△qds——器件的柵源極電荷；Ci——對應Qi的動態(tài)均壓電容；Vds，Qi——對應Qi的漏源極電壓。

其中，由SiC JFET 參數可知△qds大約為260 nC，Vds，Qi設計值為800 V，假設C8為325 pF，那么C7為650 pF，以此類推可得到8個JFET動態(tài)均壓電容值。

理論上電容的取值越大，漏電流通過越快，關斷速度越快，越能有效壓低并聯JFET 的漏源極電壓峰值；但同時越會引起其他JFET的動態(tài)電壓峰值的改變。因此該電容值需要謹慎選取以達到動態(tài)過程中的均壓。

2.4 雪崩處理

串聯開關關斷過程中，如果線路上的能量較大，會使得雪崩二極管達到鉗位電壓；當能量更大時，由于雪崩二極管體積較小，處理浪涌能量有限，可能導致串聯開關的損壞。相對來說，JFET 體積比雪崩二極管大很多，可以處理更多浪涌能量，因此，可以在雪崩二極管上串聯電阻，以減小雪崩二極管的壓力，將其轉移至JFET，以降低雪崩二極管損壞可能性，從而也避免了JFET器件的損壞。這樣做雖然會帶來一定程度的動態(tài)均壓性能降低，但總體在可控范圍內［8］。

雪崩二極管雪崩電壓VD為800 V，擊穿狀態(tài)下的內阻RD約為40 Ω，SiC JFET擊穿電壓為1 200 V。假設雪崩擊穿持續(xù)時間τ為200 ns，如果雪崩二極管沒有串聯電阻，則400 V電壓直接加在內阻上并產生電流ID，每個雪崩二極管在一個開關周期內消耗的能量WD為

在沒有串聯電阻情況下，雪崩二極管在一個開關周期內消耗的能量高達1.6 mJ?？紤]給雪崩二極管串聯阻值為10 kΩ的電阻RDi，此時每個雪崩二極管在一個開關周期內消耗的能量僅為6.4 μJ。

不難發(fā)現，雪崩二極管串聯電阻RDi可以有效降低其在關斷時的開關損耗。同時，由于靜態(tài)工作期間，雪崩二極管未在擊穿工作狀態(tài)，其內阻很大，流過的電流很小，因此電阻RDi對于靜態(tài)均壓效果的影響可以忽略不計。

3 樣機驗證

為了驗證DWBB SSCB原理及均壓特性，我們設計研制了DWBB SSCB樣機，并通過設計動態(tài)均壓和靜態(tài)均壓試驗電路，對其基本功能和動靜態(tài)均壓性能進行了實驗驗證，以觀察其靜、動態(tài)串聯均壓效果并分析樣機對直流故障電流的關斷性能。DWBB SSCB的主要元器件參數如表1所示。樣機實物如圖3所示，JFET分布于板子長邊兩側，壓在過渡散熱器上，管腳以最短連線方式焊接，均壓電路靠近JFET放置，減小線路寄生參數對性能的影響。壓敏電阻和其他元件置于板子中間位置。

表1 電路主要元器件參數Tab.1 Main component parameters of the circuit

圖3 SSCB 樣機實物Fig.3 Physical image of SSCB prototype

通過脈沖測試電路對DWBB SSCB的動態(tài)均壓性能進行測試（圖4），其中電感L 為6.4 mH，電阻R 為200 Ω，測試場景如圖5所示。測試時，直流電源電壓施加到SSCB 并逐漸加大，除去串聯開關和電感等效串聯電阻的壓降，直流電壓都加在電阻R上，串聯開關的電流線性上升。然后通過DC/DC 控制器給DWBB SSCB 關斷信號，串聯開關關斷，存儲在電感L 中的能量轉移至串聯開關的并聯電容。當串聯開關的浪涌電壓超過串聯壓敏電阻的動作門檻值后，部分能量會被壓敏電阻吸收。在此期間，測試正負線上串聯開關關斷時每個SiC JFET上電壓的同步性和動態(tài)均壓特性。如圖6～圖7所示（負線支路的串聯SiC JFET器件定義為Q9～Q16），DWBB SSCB關斷瞬間示波器通過同一型號高壓探頭采集到的單支路8 個JFET 在關斷瞬間的漏源極電壓峰值。在檢測到過流信號或關斷驅動信號后，到檢測到所有JFET上電壓峰值時刻，用時4.5 μs實現了關斷；且各個JFET 具備一致的動態(tài)電壓峰值，未出現瞬時過壓，說明樣機具備較好的動態(tài)特性。

圖4 單支路直流固態(tài)斷路器樣機實驗平臺Fig.4 Experimental platform for single branch DC SSCB prototype

圖5 測試場景Fig.5 Test scenario

圖6 正線支路動態(tài)均壓（ch1～ch8 為Vds，Q1～Vds，Q8）Fig.6 Dynamic voltage equalization of positive line(ch1-ch8 represents Vds, Q1-Vds, Q8)

圖7 負線支路動態(tài)均壓（ch1～ch8 為Vds，Q9～Vds，Q16）Fig.7 Dynamic voltage equalization of negative line(ch1-ch8 represents Vds, Q9-Vds, Q16)

靜態(tài)均壓測試電路與動態(tài)均壓測試電路類似，采用高電壓小電流的形式，取消了串聯電感，通過外部輸入關斷信號，使DWBB SSCB處于關斷常閉狀態(tài)，通過一臺4 kV/500 mA的直流電源分別給正、負線兩個支路提供高壓電，測試其靜態(tài)均壓特性。靜態(tài)均壓實驗結果如圖8所示，串聯開關兩端持續(xù)施加4 kV 直流電壓，8個支路的漏源極電壓穩(wěn)定，且各支路之間的電壓峰值差值小于25 V，排除各支路器件和采樣設備的差異，以及采樣誤差的影響，樣機的各支路靜態(tài)均壓一致性良好，滿足設計安全范圍要求。同時，通過改變直流母線輸出電壓，得到表2不同電壓下的靜態(tài)均壓值。

圖8 正線支路靜態(tài)均壓（ch1～ch8 為Vds，Q1～Vds，Q8）Fig.8 Static voltage equalization of positive line(ch1-ch8 represents Vds, Q1-Vds, Q8)

從表2可以看出，在DWBB SSCB關斷狀態(tài)，樣機在任意輸入電壓下均能實現一致的靜態(tài)均壓效果，漏電流IR與直流母線電壓VDC成正相關關系。樣機實驗結果表明，依照本文提出的雙線雙向串聯拓撲結構研制的樣機能夠實現雙線雙向故障電流快速切斷，串聯開關具備良好的均壓能力；同時，不串聯MOSFET 的新結構具有常導通能力，是DC/DC實現黑啟動的前提條件。而SSCB 具備的接收系統指令主動關閉能力也為控制系統對水下電纜進線漏電檢測提供了可能。

4 結束語

本文針對深海DC/DC 的特殊應用提出了一種基于常通型SIC JFET 的雙線雙向阻斷直流固態(tài)斷路器結構，分析了JFET串聯均壓的主要影響因素與參數設計方法；并基于該設計方法研制了一臺DWBB SSCB樣機，對生產的樣機進行了相關的過壓保護、靜態(tài)均壓、動態(tài)均壓等試驗。試驗結果表明，所研制的DWBB SSCB 樣機具備了雙線雙向的快速阻斷能力，串聯的JFET 表現出良好的關斷同步性、動態(tài)均壓性，以及關斷后的靜態(tài)均壓特性。區(qū)別于SSCB ，DWBB SSCB基于JFET 的常導通特性可幫助DC/DC 實現黑啟動功能，也能配合系統實現水下電纜的漏電檢測功能。由于試驗設備的局限，本文沒有在深海DC/DC的各種可能電應力環(huán)境下對DWBB SSCB 進行全面驗證，也沒在深海水壓情況下驗證其功能。接下來將在應用現場解決這些問題，實現工程化應用。