概述

DC（直流電）可以在不同應(yīng)用中提升能源效率，簡化再生能源和儲能技術(shù)整合。然而，如果直流電網(wǎng)發(fā)生短路，所產(chǎn)生的大電流上升速度比交流要快得多，傳統(tǒng)機械斷路器MCB無法提供及時有效保護。為保護低壓直流電網(wǎng)中的電源、負載和電纜在短路等故障下免受損壞，廣芯微電子（廣州）股份有限公司采用自研UM32G421芯片，設(shè)計了一套穩(wěn)定、高效、安全可靠的數(shù)字化固態(tài)直流斷路器SSCB(Solid-State DC Breaker) 方案平臺。

固態(tài)直流斷路器是一種基于電力電子技術(shù)的開關(guān)設(shè)備，利用固態(tài)電子器件（如可控硅、場效應(yīng)管等）取代傳統(tǒng)機械觸點，實現(xiàn)對直流電路的快速通斷控制。相較于機械式斷路器MCB，其核心優(yōu)勢在于無物理接觸點、響應(yīng)速度快、壽命長，且在短路故障時能快速限流或切斷電路，提升系統(tǒng)安全性。

固態(tài)直流斷路器SSCB具有以下優(yōu)點：

超快速保護：微秒級響應(yīng)速度，遠快于傳統(tǒng)機械式斷路器（毫秒級），尤其適用于需要快速切斷故障電流的場景

超安全：通過電力電子器件直接控制電流，避免了機械開關(guān)分斷時的電弧拉弧問題，減少設(shè)備損耗和火災風險

低損耗高效率：效率高達到99.9%

故障識別和保護：過壓過流短路保護

在線配置傳統(tǒng)MCB的過載保護曲線

無線通信：基于互聯(lián)網(wǎng)的無線通訊，可實時監(jiān)控狀態(tài)

計量功能：上報測量的電壓、電流至互聯(lián)網(wǎng)

超長壽命：無機械運動部件，減少磨損和故障率，適合頻繁操作的環(huán)境

應(yīng)用領(lǐng)域

廣芯微采用自研主處理器UM32G421開發(fā)出低壓400V DC/40A固態(tài)直流斷路器（下稱SSCB）原型系統(tǒng)，該低壓SSCB可應(yīng)用以下場合：

低壓直流配電系統(tǒng)：如小型光伏儲能系統(tǒng)、家用直流微電網(wǎng)的電路保護等。

工業(yè)設(shè)備：用于自動化產(chǎn)線、機器人等設(shè)備的直流電源管理，防止過載或短路損壞。

電動汽車充電樁：在直流快充樁中保護電池管理系統(tǒng)（BMS）和充電模塊。

通信基站：為48V或低壓直流供電系統(tǒng)提供高效保護，提升基站運行穩(wěn)定性。

數(shù)據(jù)中心：為400V機房低壓直流供電系統(tǒng)提供高效保護，提升數(shù)據(jù)中心運行穩(wěn)定性。

硬件方案介紹

下圖顯示了這套SSCB原型系統(tǒng)的電路原理圖。正極上的主支路使用低壓MOSFET，承載主電流。帶有IGBT和電阻的旁路可在MOSFET導通或關(guān)斷時提供低壓開關(guān)條件。帶有RC緩沖電路和MOV的保護支路，防止SSCB斷開時產(chǎn)生過壓。該極上連接有濾波電感L，起濾波作用。電流傳感器將電流值饋送到控制器，以便相應(yīng)地做出適當?shù)牟僮?。在負極安裝了機械繼電器，以便在斷路器斷開時提供物理隔離。

直流斷路器電路原理圖

軟件方案介紹

SSCB啟動時，首先閉合機械繼電器，然后閉合旁路支路。旁路支路IGBT閉合后，負載電流開始流動，啟動浪涌電流受到R2的限制。約1ms后，主支路中的MOSFET將在低電壓條件下閉合。由于MOSFET電阻較低，負載電流將從旁路支路流向到主支路。SDB斷開時，MOSFET在低電壓時首先關(guān)斷，電流流向至旁路支路。IGBT在主分支關(guān)斷后約5μs內(nèi)關(guān)斷。一旦IGBT完全關(guān)斷，負載電流就變?yōu)榱?。旁路支路關(guān)斷后，機械繼電器將在約1秒內(nèi)打開。下圖顯示了主支路和旁路支路的切換順序。

主支路和旁路支路的開啟和關(guān)斷順序

主控處理器介紹

SSCB控制器需要μs級的響應(yīng)速度來實現(xiàn)短路等保護功能，故選擇兼具高性能和高可靠性的UM32G421實時控制器來實現(xiàn)。啟動和關(guān)斷序列旨在確保機械繼電器的零電流開關(guān)和MOSFET的低電壓開關(guān)。

UM32G421功能框圖

UM32G421采用ARMCortex-M4F內(nèi)核，支持浮點運算，支持DSP指令集，性能強大，集成了包括高精度PWM、高精度SAR ADC、三角函數(shù)運算協(xié)處理器、豐富的外設(shè)接口等多種資源，可在-40~125℃穩(wěn)定工作，能夠滿足工業(yè)控制、汽車電子、新能源等多個領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

處理器內(nèi)核：Cortex-M4，最高主頻 204MHz

內(nèi)置單精度浮點運算單元，支持DSP指令集

64KBSRAM，256KBeFlash

最多支持54個GPIO，20/14/6/2mA 四檔驅(qū)動可配

37路PWM輸出，PWM最高精度 1.736ns

2路低功耗LPUART，4路通用UART，2路USART

3路I2C，最高速率1Mbps

支持CAN-FD接口，通信速率最高5Mbps，同時兼容CAN2.0A/B 協(xié)議

1個12位DAC，采樣率1Msps

2個12位SAR-ADC，16通道，支持單端和差分輸入 , 最高采樣率 5.25Msps

3個OPA，3個ACMP

1個USB接口，支持全速USB FS Device 接口（內(nèi)置PHY）

集成Cordic運算加速器（sin、cos、arctan、平方根、乘法、除法等）

硬件加解密：AES（128/256）

工作溫度：-40°C ~125°C

SSCB工程原型機

SSCB尺寸為5.5厘米 x 29.6厘米 x11.5厘米（寬x高x長），外殼面板上安裝了可觸摸的液晶顯示屏。用戶可以通過顯示屏配置SSCB的額定電流值和跳閘曲線類型。顯示屏還報告SSCB的實時電流和電壓信息。SSCB通過WiFi無線通訊，將電壓、電流等信息傳到網(wǎng)頁上。SSCB分為3塊電路板，包括功率半導體板、繼電器板和信號控制板。下圖為400V/40A SSCB原型樣機結(jié)構(gòu)圖。

SDB 原型樣機內(nèi)外結(jié)構(gòu)圖

功能參數(shù)及測試波形

功能參數(shù)

額定電壓 / 電流：400V DC / 40A

效率：>99.9%（從10%到100%負載）

額定斷路能力: 400V DC 6kA

操作環(huán)境溫度：0-40°C/0-95%RH non-condensing

400V下SSCB樣機效率、功耗明細測量及元件電阻

測試波形

下圖顯示了短路測試平臺裝置和SSCB短路測試波形。SSCB用D25進行測試，即25A額定電流，短路電流等于10倍額定電流，即電流限制在250A。由于響應(yīng)非常快，短路時的最大電流僅為~300A。

短路測試平臺裝置

SSCB短路測試波形

下圖顯示SSCB在400V的斷路能力測試結(jié)果。當沒有任何保護裝置短路時, 測試平臺的電流輸出高達23kA。帶有SSCB測試時，SSCB成功斷開短路故障，證實SSCB的斷路能力能達到23kA。SSCB在~4us內(nèi)作出反應(yīng), 最大電流限制在526A。

400V下SSCB和MCB斷路能力測試比較

總結(jié)

新能源與儲能系統(tǒng)的高速發(fā)展中對直流系統(tǒng)的短路電流抑制和快速分斷需求、電動汽車的直流快充樁對高安全性和高效能保護設(shè)備的需求以及智能電網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心對直流配電系統(tǒng)的依賴及供電可靠性要求均在快速增長，因此目前全球固態(tài)斷路器市場正處于上升期，并保持著高速增長的態(tài)勢。2023年，全球固態(tài)斷路器市場規(guī)模達到了1.02億美元，預計2030年將達到12.03億美元，年復合增長率（CAGR）為38.21%。這一高增長率反映了市場對高性能、高可靠性固態(tài)斷路器的強烈需求。

國內(nèi)廠商通過技術(shù)攻關(guān)和專利布局，已在多個應(yīng)用場景實現(xiàn)突破，未來隨著成本降低和技術(shù)成熟，小型化和國產(chǎn)化的實現(xiàn)，其市場滲透率將進一步提升。廣芯微采用自研主控處理器開發(fā)的低壓SSCB原型平臺可以極大提升國內(nèi)設(shè)備廠商開發(fā)產(chǎn)品的上市時間。

關(guān)于廣芯微

廣芯微電子（廣州）股份有限公司聚焦光伏新能源、工業(yè)控制和汽車電子產(chǎn)業(yè)，為客戶提供差異化的微處理器芯片、快充與數(shù)字電源SOC和性能卓越的無線射頻芯片，并圍繞這些芯片打造特色的電機控制方案平臺、數(shù)字電源方案平臺和低功耗無線射頻方案平臺。