引言

國家核心期刊《船舶工程》刊登專題文章《某型船用固態(tài)直流斷路器技術應用》，介紹了國內外船用直流斷路器的工作原理和發(fā)展現狀。該文以賽晶船用固態(tài)直流斷路器為研究對象，闡明了在該領域前沿技術創(chuàng)新和探索中，賽晶取得的出色成果；例舉了賽晶產品的技術特點和優(yōu)勢，以及國際市場中取得的實用業(yè)績。

文章具體內容如下：

在交通運輸設備發(fā)展的初期，其電力系統(tǒng)多采用直流高速的空氣斷路器，一般通過拉長觸頭間電弧的長度來提高電弧電壓，從而把電流限制到零。但這種原理不可避免地存在著觸頭與滅弧柵的損耗，需要頻繁地進行維修，且產品難以小型化。隨著科技的不斷進步，電力電子器件技術飛速發(fā)展，一系列先進的固態(tài)直流斷路器應運而生。

本文以賽晶科技集團有限公司（簡稱“賽晶科技”）研發(fā)的固態(tài)船舶直流斷路器為主要研究對象，對不同型號的固態(tài)直流斷路器展開介紹，通過分析其研究現狀與市場應用，進一步掌握固態(tài)直流斷路器的前沿技術，為船用電力電子領域的研發(fā)提供參考。

1  國內外研究現狀

國外對固態(tài)直流斷路器的研究比較早。在1987年，美國Texas大學的William Kernaghan研制出1臺采用GTO作為主開關的200V/15A的固態(tài)直流斷路器。在1999年時，JEFFFREY等對直流固態(tài)開關在配電系統(tǒng)中的分布、應用和成本等多方面做了詳細的闡述并列舉了DTI的工程應用。隨后Houston大學研制出一臺500V電壓等級的固態(tài)直流斷路器樣機；2003年，美國電力電子系統(tǒng)研究中心（Centre for Power Electronics Systems，CPES）的研究人員申請了采用硬關斷器件ETO做固態(tài)直流斷路器的發(fā)明專利，并在2005年成功研制出了1.5kA/2.5kV和4kA/4.5kV的樣機，并通過了測試。

國內對固態(tài)直流斷路器的研究則起步比較晚，對固態(tài)直流斷路器的研究集中在一些特殊的領域且電壓等級都比較低，如：在航天領域的電壓等級為120V，在航空領域為270V，艦船上為1500V，國內的海軍工程大學正在對固態(tài)斷路器在艦艇上的應用進行研究，其研究的是低壓、大電流，側重于限流研究，采用IGBT為開關器件和自關斷技術，應用場合受到限制。雖然國內中國工程物理研究所曾經研制出20kV可控硅固態(tài)開關，但是其側重于研究SCR的串聯技術，未做過斷路器方面的測試且電流在1A以下。

現階段，我國主要集中于拓撲結構的研究，基本處于樣機試制和驗證階段，樣機的容量較小而且集中在一些特殊的領域；國外對功率器件自身和拓撲結構都有研究，軍事、民用并舉，而且應用到了具體的工程實踐之中。與國外相比，國內還有一定的差距亟需追趕。在社會經濟的發(fā)展下,世界各個國家也紛紛加入新能源發(fā)電的隊伍中,固態(tài)直流斷路器必然能夠得到更為廣泛的應用。

2  固態(tài)直流斷路器基本原理

固態(tài)直流斷路器（DC SSCB）以半控型（如SCR）或全控型（如IGBT、MOSFET、IGCT等）電力電子器件作為主控開關器件，同時搭配控制電路和緩沖吸能電路等完成電流快速開斷功能；開斷過程無電弧產生、動作速度快、電壽命長，可以更好地滿足直流系統(tǒng)快速、可靠保護的需求。由此，為了提升系統(tǒng)運行的安全性，綜合特性更優(yōu)的固態(tài)直流斷路器被廣泛應用于電力電子領域。

2.1  電氣原理

以賽晶科技研發(fā)的額定電壓1000V、額定電流3000A、絕緣電壓6kV、關斷時間≤9μs的固態(tài)直流斷路器為例，其具體參數見表1。

表1  賽晶科技固態(tài)直流斷路器主要參數

該型固態(tài)直流斷路器原理拓撲見圖1，包含了IGBT功率模塊、二極管模塊、過壓吸收電路模塊、平衡開關和控制模塊。固態(tài)直流斷路器利用內置的電壓檢測單元，可以在一定范圍內測量電壓，若發(fā)現斷路器兩側的壓差過大，斷路器內部會首先將兩側電壓調整平衡，然后才可以將主回路開關閉合，否則低電壓側的支撐電容充電可能造成斷路器的短時過流現象。

圖1  固態(tài)直流斷路器原理拓撲圖

增強型拓撲在IGBT模塊外置了大功率二極管形成橋式雙向電路供電流雙向流通，從而使增強型拓撲的可靠性和通流能力大大提高。

控制模塊提供固態(tài)直流斷路器的控制電源接口和通信接口，包括：故障狀態(tài)反饋、主控器輸入控制信號和與其他功率開關之間的通信接口。通信接口可以為光信號或電信號，通信協(xié)議可以為MODBUS-TCP、TCP/IP或其他定制協(xié)議。

2.2  技術特點

該型固態(tài)直流斷路器因具有微秒級斷開時間、循環(huán)水冷、獲DNV認證、內部自檢能力強和可滿足不同類型的系統(tǒng)接口等優(yōu)勢，被廣泛應用于船舶直流配電系統(tǒng)中的兩段母線聯絡開關和負載饋電開關。技術特點如下：

1）無觸點開斷直流短路電流

采用全控型大功率 IGBT器件特性關斷直流電流，無需產生強迫電流過零的反電壓回路或消弧電路，斷開時不會產生電弧。開斷時間達到了微秒級，極大地限制了故障電流的發(fā)展，使故障電流難以達到損壞器件的能量等級，把故障對系統(tǒng)的影響降至最低。

2）具備雙向直流流動工作模式

采用了大功率二極管拓撲，使得作為兩段電源間聯絡開關的固態(tài)直流斷路器，實現額定電流范圍內兩個電源的快速互為備用。

3）具備平衡開通能力

拓撲中帶專用平衡開關，在接通兩端電源前使固態(tài)直流斷路器兩端的電壓平衡，消除了開通過程中的涌流沖擊。

4）自帶檢測和保護控制系統(tǒng)

固態(tài)直流斷路器自帶電壓和電流檢測單元，不需要外部控制或檢測。自帶的控制器可以根據預先設定的電流時間曲線動作，這種性能可以使不同客戶根據各自系統(tǒng)的需求進行不同的保護設置。

5）高安全性

采用ABB的Hipak系列高可靠性IGBT模塊，最壞故障情況下保證裝置開路，保證電源的切除。

3  典型固態(tài)直流斷路器技術

船舶推進系統(tǒng)經歷了柴油機直驅、交流組網全電驅動和直流組網全電驅動的發(fā)展過程。直流斷路器在船用直流組網系統(tǒng)中作為一個重要的保護部件而備受重視，賽晶科技在多年累積的大功率開關設計和應用經驗的基礎上開發(fā)出專用于船舶領域的固態(tài)直流斷路器。

3.1  產品技術優(yōu)勢

目前，賽晶科技已有基于平臺A的1.5kV/500A、1.25kA、3kA的產品，已通過挪威船級社（DNV）認證，且正在研發(fā)基于平臺B的1.5kV/4kA和5kA型號的產品。平臺B產品具有與平臺A產品不同的結構設計，具有更高的電流等級。具體外形見圖2。

圖2  賽晶科技產品

平臺A產品為緊湊型設計，每個電流等級分別具有不同的外形尺寸，更適用于對體積要求較高的場合，根據對不同電流等級的需求選擇合適的尺寸，達到空間的最優(yōu)利用。平臺B產品為模塊化設計，整體成柜，不需要為斷路器額外配備單獨的柜體。最大電流等級可達5kA，憑借其模塊化的設計，可以允許系統(tǒng)集成商增加冗余，也可以根據需求搭配不同的模塊將斷路器變?yōu)殡p極應用。具體技術優(yōu)勢如下：

1）專用于海運業(yè)，內部所有部件均采用超快速、易集成的設計。為使斷路器具有更好的性能，所有部件都為斷路器的長期運行進行了專門優(yōu)化。

2）擁有超快速的短路檢測和關斷速度，內部半導體器件直接連接到接線端，通過超快速的di/dt檢測，能夠在不增加電網電感的情況下快速動作。

3）擁有緊湊的結構設計，專用于船舶應用的緊湊化設計可以最大限度的利用可用空間，便于系統(tǒng)集成。具有模塊化的結構設計，可在標準版本的基礎上根據客戶的實際需求增減部分功能。

4）設計有專用于斷路器的系統(tǒng)控制器及驅動器，可在額定范圍內自主配置固態(tài)斷路器的保護曲線。

5）多臺固態(tài)斷路器之間可通過光纖通信，能夠自主識別并隔離故障區(qū)域。

6）相比其他競爭產品，體積小是賽晶固態(tài)直流斷路器的最大優(yōu)點。

3.2  市場應用

作為業(yè)內技術領先并深具影響力的電力電子器件供應商和系統(tǒng)集成商，賽晶科技的子公司遍布北京、浙江嘉善、江蘇無錫、湖北武漢，以及歐洲的瑞士和德國等地。多年來，賽晶科技的固態(tài)開關技術一直居于行業(yè)領先地位，已有多個產品應用于中國、荷蘭、土耳其、韓國和挪威的多個項目，曾在中國高速磁懸浮推進列車、歐洲粒子研究中心（CERN）大型強子對撞機升級、英國智能電網科技示范和蘇黎世聯邦理工學院（ETH）高壓實驗室等眾多前沿科研項目中取得出色成績。

船用固態(tài)直流斷路器是賽晶科技位于瑞士的子公司 - Astrol Electronic AG （簡稱“Astrol”）的拳頭產品之一，在船舶領域具有世界領先的技術水平和行業(yè)地位。自2019年10月通過挪威船級社（DNV）認證后，Astrol的技術和產品迅速獲得歐洲船舶客戶認可。2020年3月，Astrol贏得首個訂單，包含4臺平臺A系列1kV/1.25kA型號產品，用于海上風電安裝船；2020年11月，Astrol正式成為西門子工業(yè)數字化公司在船舶領域的Qualified Supplier；2021年2月，Astrol向歐洲船舶客戶交付了平臺A系列1500V/500A型號產品。2021年8月，Astrol平臺A系列1.5kV/3kA型號產品，獲得歐洲客戶訂單，用于新型混合動力船。此外，賽晶科技也已經在國內的船舶領域開展了技術推廣。

由于船用直流配電還未得到大范圍的應用，目前的固態(tài)船用直流斷路器市場正處于發(fā)展階段，市面上同類產品較少，部分廠家將通用變流器改造為固態(tài)直流斷路器來使用，相比較而言，賽晶科技的固態(tài)直流斷路器的設計專用于船舶，內部所有部件都為斷路器的長期運行及超快速的保護做了專門的優(yōu)化，可以在不增加回路電感的情況下進行超快速的短路檢測和保護，具有緊湊的結構設計，可最大限度的利用可用空間，允許斷路器之間直接通信進行超快速的協(xié)調聯動。由于這項技術較為前沿，目前還在少量生產階段，進一步的優(yōu)化設計會逐步降低生產成本，隨著產量的提高，成本將會進一步降低。

3.3  研究趨勢與展望

目前，由于輕型直流輸電網絡中的電力電子設備應用的較多，機械式斷路器已無法滿足電力系統(tǒng)實時、靈活、快速的要求，從保護的實時性和安全性等多方面的對比和衡量，固態(tài)斷路器比機械式更具有優(yōu)勢。隨著社會經濟的發(fā)展，對煤和石油等一次性不可再生能源的需求量日益增加，歐美等發(fā)達國家均掀起了一股新能源技術的研發(fā)熱潮。與此同時，我國的風力發(fā)電（含海上風力發(fā)電）、太陽能發(fā)電等呈現的跳躍式發(fā)展，也為固態(tài)直流斷路器的應用提供了廣闊前景。

鑒于此，賽晶科技船用固態(tài)直流斷路器不但完成了1500V/500A~3000A的全系列產品研發(fā)，還取得了市場的廣泛認可，新客戶、新訂單不斷涌現。在完成5kA的平臺B產品研發(fā)后，賽晶科技將會進一步完善并優(yōu)化現有產品，在現有技術的基礎上拓展適配不同功率等級、不同拓撲的標準產品，有計劃地分批將船用固態(tài)直流斷路器的生產制造轉移到國內，進一步降低生產成本。下一步將會在電壓等級上進行提高，適配3kV、6kV及更高等級直流系統(tǒng)。隨著功率半導體技術的發(fā)展，賽晶科技將嘗試將寬禁帶半導體（如SiC）引入產品。

4  結束語

隨著《中共中央國務院關于完整準確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達峰碳中和工作的意見》的正式發(fā)布，我國的“雙碳”戰(zhàn)略有序推進，降低碳排放的步伐持續(xù)加快。“十四五”規(guī)劃中以優(yōu)化交通運輸結構、推廣節(jié)能低碳型交通工具為代表的低碳交通運輸體系建設相關政策的頒發(fā)，對持續(xù)降低運輸能耗和二氧化碳排放強度提出了更高要求。運輸業(yè)新能源和清潔能源的常態(tài)化建設，將會使電力電子技術得到長足發(fā)展，固態(tài)直流斷路器在技術和經濟上的優(yōu)勢也將進一步凸顯。

以賽晶科技為代表的創(chuàng)新型高新技企業(yè)積極響應節(jié)能減排號召，大力發(fā)展綠色、創(chuàng)新為主導的固態(tài)直流斷路器新技術，在努力兼顧經濟發(fā)展和綠色轉型同步提升的同時，全方位提高企業(yè)全球競爭力，為我國“碳達峰、碳中和”工作貢獻一份力量。