固态断路器

技术领域

本申请涉及断路器技术领域，特别是涉及一种固态断路器。

背景技术

固态断路器以半控型(如SCR)或全控型(如IGBT、MOSFET、IGCT等)电子器件作为主控开关器件，同时搭配控制电路和缓冲吸能电路等完成电流快速开断功能。为使固态断路器能够适用于直流电和交流电，相关技术中提供了一种固态断路器，包括两个反向串联的电子器件。

然而，相关技术中的固态断路器存在散热效率较低的问题。

发明内容

基于此，有必要针对相关技术中固态断路器散热效率较低的问题，提供一种能提高散热效率的固态断路器。

根据本申请的一个方面，提供一种固态断路器，包括：

基座，沿第一方向的一侧具有第一传热面；

多个彼此间隔的散热片，设于所述基座沿所述第一方向背离所述第一传热面的一侧；

热管，穿设于所述基座和多个所述散热片，所述热管内设有传热介质；以及

电子器件模块，包括两个反向串联的电子器件，每一所述电子器件具有与所述第一传热面连接的第二传热面。

上述固态断路器，通过设置包括两个反向串联的电子器件的电子器件模块，以开通正常运行电流和关断双向故障电流。通过设置基座，基座的第一传热面与电子器件的第二传热面连接，以将电子器件开断电流时产生的热量传导给基座。并通过设置热管，以将基座内的热量传导给热管内的传热介质，再由传热介质传导给多个散热片散发到外界，从而实现对电子器件的散热并提高了散热效率。

在其中一实施例中，所述固态断路器还包括屏蔽罩，所述屏蔽罩罩设于所述基座和所述电子器件模块外，以对电子器件模块提供保护作用，防止杂质进入，还实现静电屏蔽，屏蔽外界电磁波对固态断路器内部电路的影响，并屏蔽固态断路器内部产生的电磁波向外辐射。。

在其中一实施例中，每一所述电子器件具有第一端子和第二端子，两个所述电子器件的所述第一端子彼此电连接；

所述固态断路器还包括与所述第二端子一一对应电连接的第一母排，所述第一母排设于所述屏蔽罩内，以用于搭建电气回路。

在其中一实施例中，沿其中一所述电子器件指向另一所述电子器件的方向，每一所述电子器件的所述第一端子靠近另一所述电子器件，每一所述电子器件的所述第二端子远离另一所述电子器件；

所述固态断路器还包括分别与两个所述第一端子电连接且位于所述屏蔽罩内的第二母排，以便于形成反串联电气结构，并使两个电子器件的第一端子借助于第二母排实现电连接。

在其中一实施例中，全部所述散热片沿所述第一方向间隔设置，所述热管沿所述第一方向穿设于所述基座和全部所述散热片内，使固态断路器结构紧凑。

在其中一实施例中，所述固态断路器还包括设置于多个所述散热片沿第二方向的一侧的风机，所述风机用于为多个所述散热片送风；

其中，所述第二方向与所述第一方向呈角度设置，以引入冷空气经过散热片带走热量后提高散热片的散热效率。

在其中一实施例中，所述固态断路器还包括与设置于多个散热片沿所述第二方向的一侧的风道挡板，所述风道挡板围设出风道，所述风道的开口朝向多个所述散热片；

所述风机设置于所述风道内，以提高风机的送风效率和散热效率。

在其中一实施例中，所述传热介质包括丙酮，以提高传热介质的传热能力。

在其中一实施例中，所述电子器件包括IGBT，使固态断路器100具有通态损耗近零、支持电流差异化配置、成本低、支持重合闸、占地面积小、可靠性高、可控性强的优点。

在其中一实施例中，所述电子器件包括与所述IGBT反向并联的二极管，以减少使用空间并节省成本。

附图说明

图1为本申请一实施例中固态断路器的爆炸图；

图2为图1所示实施例中固态断路器的装配图；

图3为图1所示实施例中固态断路器另一视角下的装配图；

图4为图1所示实施例中固态断路器另一视角下的爆炸图；

图5为图1所示实施例中电子器件模块的示意图。

附图标记说明：

100、固态断路器；

10、基座；11、第一传热面；

20、散热片；

30、热管；

40、电子器件模块；41、电子器件；412、第一端子；413、第二端子；42、IGBT；43、二极管；

50、屏蔽罩；

60、第一母排；

70、第二母排；

80、接线部；

A、第一方向。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

为了维护电力电网安全可靠运行，目前通过设置断路器作为开关装置，以负责开合和断开正常回路状态下的电流，并能闭合、承载在规定时间内异常回路状态下电流。随着电力电子技术的飞速发展，基于全控型器件和模块化多电平换流器技术的柔性直流输电彻底解决了传统高压直流输电受端存在的换相失败问题，并可独立快速控制所传输的有功和无功，极大地提高了输电的灵活性，促进了可再生能源、分布式发电和城市电网的迅速发展。

在高压工程，目前只有转移或开断负载电流的高压直流断路器。对于开断短路电流的高压直流断路器。其中固态直流断路器是随着电力电子器件的发展而发展起来的。20世纪90年代末，出现了以晶闸管器件作为开关的固态直流断路器。后来门极关断晶闸管IGBT、IGBT等全控型器件的诞生，使得固态直流断路器又有了新的发展。

现阶段断路器主要分为机械式直流断路器、固态式直流断路器、强制换流型混合式直流断路器和自然换流型混合式直流断路器。其中固态直流断路器结构最为简单，不需要繁琐的机械结构。不会产生电流拉弧现象。中高压直流断路器目前并没有可靠实用的成熟产品，无法构建柔性直流输配电网络。现有直流断路器产品简单经济且具有故障自清除能力换流器方案的缺乏，无法对直流侧短路故障进行更高效的处理。而固态直流断路器使用大功率电力电子器件，在电流开断的同时，会产生大量热量。相关技术中提供了一种固态断路器，包括两个反向串联的电子器件，以使固态断路器能够用于直流电，也可用于交流电，然而该固态断路器中存在散热效率较低的问题。

因此，有必要提供一种提高散热效率的固态断路器。

图1为本申请一实施例中固态断路器的爆炸图；图2为图1所示实施例中固态断路器的装配图；图3为图1所示实施例中固态断路器另一视角下的装配图。

参阅图1-3，本申请一实施例中提供的固态断路器100，包括基座10、多个散热片20、热管30和电子器件模块40。

基座10沿第一方向A的一侧具有第一传热面11，多个散热片20设于基座10沿第一方向A背离第一传热面11的一侧，且多个散热片20彼此间隔设置，热管30穿设于基座10和多个散热片20，热管30内设有传热介质。电子器件模块40包括两个反向串联的电子器件41，每一电子器件41具有与第一传热面11连接的第二传热面(图中未示出)。

上述固态断路器100，通过设置包括两个反向串联的电子器件41的电子器件模块40，以开通正常运行电流和关断双向故障电流。通过设置基座10，基座10的第一传热面11与电子器件41的第二传热面连接，以将电子器件41开断电流时产生的热量传导给基座10。并通过设置热管30，以将基座10内的热量传导给热管30内的传热介质，再由传热介质传导给多个散热片20散发到外界，从而实现对电子器件41的散热并提高了散热效率。

可以理解的是，通过将多个散热片20彼此间隔设置，以增加每一散热片20的散热面积，从而提高多个散热片20的散热效果。

可选地，如图1-3所示，多个散热片20可以彼此平行设置。

一些实施例中，如图3所示，全部散热片20沿第一方向A间隔设置，热管30沿第一方向A穿设于基座10和全部散热片20内。如此，使散热片20和热管30的布置空间较小并便于布设，使固态断路器100结构紧凑。

具体地，热管30是利用传热介质在热端蒸发后在冷端冷凝的相变过程(即利用液体的蒸发潜热和凝结潜热)，使热量快速传导。热管30可以包括管壳、吸液芯和端盖。热管30内部被抽成负压状态，再充入适当的传热介质。管壁有吸液芯，由毛细多孔材料构成。热管30的一端为蒸发端，另一端为冷凝端，当热管30的一端受热时，毛细管中的传热介质迅速汽化，蒸气在热扩散的动力下流向另外一端，并在冷端冷凝释放出热量，传热介质再沿多孔材料靠毛细作用流回蒸发端，如此循环不止，直到热管30两端温度相等(此时蒸汽热扩散停止)。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导开来。

可选地，热管30的蒸发端穿设于基座10，热管30的冷端穿设于多个散热片20。

一些实施例中，如图3所示，热管30的数量为多个，多个热管30在垂直于第一方向A的方向上彼此间隔设置。

一些实施例中，传热介质可以采用丙酮，可热响应速度快，丙酮转移热量的能力比相同尺寸和重量的铜管大1000多倍，体积小、重量轻，散热效率高。此外，当传热介质采用丙酮时，可简化固态断路器100的散热设计，如变风冷为自冷。

另一些实施例中，传热介质也可采用水。

一些实施例中，固态断路器100还包括设置于多个散热片20沿第二方向的一侧的风机(图中未示出)，风机用于为多个散热片20送风，其中，第二方向与第一方向A呈角度设置。如此，通过设置风机，以利用空气作为媒介冷却散热片20，即引入冷空气经过散热片20带走热量后提高散热片20的散热效率。

可选地，第二方向可以与第一方向A垂直。

一些实施例中，固态断路器100还包括与设置于多个散热片20沿第二方向的一侧的风道挡板(图中未示出)，风道挡板围设出风道，风道的开口朝向多个散热片20，风机设置于风道内。如此，通过设置风道挡板，以围设出风道，风机的送风在风道内流动，从而提高风机的送风效率和散热效率。

一些实施例中，如图1-3所示，固态断路器100还包括屏蔽罩50，屏蔽罩50罩设于基座10和电子器件模块40外。如此，通过设置屏蔽罩50，对电子器件模块40提供保护作用，防止杂质进入。此外，屏蔽罩50还实现静电屏蔽，屏蔽外界电磁波对固态断路器100内部电路的影响，并屏蔽固态断路器100内部产生的电磁波向外辐射。

具体地，屏蔽罩50与基座10连接。

一些实施例中，如图1所示，每一电子器件41具有第一端子412和第二端子413，两个电子器件41的第一端子412彼此电连接。固态断路器100还包括与第二端子413一一对应电连接的第一母排60，第一母排60设于屏蔽罩50内。如此，通过设置彼此电连接的第一端子412，使两个电子器件41反向串联，从而使固态断路器100能够应用于直流电，也可以应用于交流电，从而提高了固态断路器100的适用性。并且通过设置第一母排60，以用于搭建电气回路。通过将第一母排60设于屏蔽罩50内，以降低杂质对第一母排60和第一母排60与电子器件41连接处的污染。

图4为图1所示实施例中固态断路器另一视角下的爆炸图。

一些实施例中，如图1和图4所示，固态断路器100还包括与第一母排60一一对应的接线部80，接线部80的一端与对应的第一母排60电连接，接线部80的另一端穿出屏蔽罩50外，以用于搭建电气回路。

一些实施例中，如图1所示，沿其中一电子器件41指向另一电子器件41的方向，每一电子器件41的第一端子412靠近另一电子器件41，每一电子器件41的第二端子413远离另一电子器件41。固态断路器100还包括分别与两个第一端子412电连接且位于屏蔽罩50内的第二母排70。如此，通过设置两个电子器件41的第一端子412彼此靠近，且两个电子器件41的第二端子413彼此远离，使两个电子器件41的布置方向彼此相反，从而便于形成反串联电气结构。通过设置第二母排70，使两个电子器件41的第一端子412借助于第二母排70实现电连接。通过将第二母排70设置于屏蔽罩50内，以降低杂质对第二母排70以及第二母排70与电子器件41连接处的污染。

图5为图1所示实施例中电子器件模块的示意图。

一些实施例中，如图5所示，电子器件41包括IGBT42。IGBT42具有通流能力强、通态压降低、失效呈短路特性、串联可靠性高等特点。因此，通过采用IGBT42，使固态断路器100具有通态损耗近零、支持电流差异化配置、成本低、支持重合闸、占地面积小、可靠性高、可控性强的优点。此外，IGBT42差异小，一定程度保证了串联均压。

具体地，IGBT42(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)，是由BJT(Bipolar Junction Transistor双极型三极管)和MOS(Metal Oxide Semiconductor绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器，兼有MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor金氧半场效晶体管)的高输入阻抗和GTR(Giant Transistor电力晶体管)的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大，MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT42综合了以上两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。

可选地，电子器件41可以采用4.5kV的IGBT42。

因此，上述固态断路器100为全固态设计，无机械断路器器件，因此结构简单，断开速度快，不会产生电流拉弧现象。

一些实施例中，如图5所示，电子器件41包括与IGBT42反向并联的二极管43。如此，通过在电子器件41内部反向并联二极管43，不需要重新增设二极管43，从而减少了使用空间并节省成本。

可选地，固态断路器100还包括外壳，全部散热片20、热管30、基座10设置于外壳内。

需要说明的是，固态断路器100也可以根据使用情况固定在电气柜体中，不用另行安装外壳。

在一个实施例中，固态断路器100包括基座10、多个散热片20、热管30、电子器件模块40、屏蔽罩50、第一母排60和第二母排70。基座10沿第一方向A的一侧具有第一传热面11，多个散热片20设于基座10沿第一方向A背离第一传热面11的一侧，且多个散热片20彼此间隔设置，热管30穿设于基座10和多个散热片20，热管30内设有传热介质。电子器件模块40包括两个反向串联的电子器件41，每一电子器件41具有与第一传热面11连接的第二传热面。固态断路器100还包括屏蔽罩50，屏蔽罩50罩设于基座10和电子器件模块40外。每一电子器件41具有第一端子412和第二端子413，两个电子器件41的第一端子412彼此电连接。固态断路器100还包括与第二端子413一一对应电连接的第一母排60，第一母排60设于屏蔽罩50内。固态断路器100还包括与第一母排60一一对应的接线部80，接线部80的一端与对应的第一母排60电连接，接线部80的另一端穿出屏蔽罩50外，以用于搭建电气回路。沿其中一电子器件41指向另一电子器件41的方向，每一电子器件41的第一端子412靠近另一电子器件41，每一电子器件41的第二端子413远离另一电子器件41。固态断路器100还包括分别与两个第一端子412电连接且位于屏蔽罩50内的第二母排70。电子器件41包括IGBT42和与IGBT42反向并联的二极管43。

因此，本申请提供的固态断路器100为全固态设计，无机械断路器器件。所有附属模块都可独立安装、拆卸、维护，结构紧凑、美观，电路分配合理，方便安装、维护，散热效率高，热量传导迅速有效。此外，上述固态断路器100的结构紧凑，占用空间小，成本较低。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。