具体实施方式

参考图2，示出了示例性固态断路器(SSCB)200，该SSCB 200被构造为控制电流流过并入SSCB 200的功率系统。应当领会，SSCB200可以在多种应用中实现，包括直流(DC)功率系统、低压配电系统、中压配电系统、以及高压传输系统，仅举几个示例。

SSCB 200包括主开关器件205，该主开关器件205包括第一端子201和第二端子203。在并入SSCB200的功率系统的正常操作期间，主开关器件205闭合，也称为接通，从而允许电流在端子201与端子203之间流动。响应于故障条件，主开关器件205断开，也称为关断，从而中断故障电流流过主开关器件205。故障条件可以包括其中故障电流超过电流阈值的过流状况，仅举一个示例。主开关器件205通过中断故障电流来响应故障条件以保护功率系统。

主开关器件205包括被构造为控制电流流动的一个或多个半导体开关，诸如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、栅极关断晶闸管(GTO)、MOS控制晶闸管(MCT)、集成栅极换向晶闸管(IGCT)、碳化硅(SiC)开关、氮化镓(GaN)开关或任何其他类型的半导体开关。主开关器件205的一个或多个半导体开关可以串联、并联、反串联、反并联或其组合耦合。

SSCB 200包括电压钳位电路206，该电压钳位电路206被构造为在故障条件期间保护主开关器件205。电压钳位电路206包括金属氧化物变阻器(MOV)207、辅助半导体器件211和旁路电路209。MOV207和辅助半导体器件211被串联耦合在端子201与端子203之间，使得MOV 207和辅助半导体器件211与开关器件205并联耦合。旁路电路209耦合到辅助半导体器件211并且与MOV 207并联耦合。

MOV 207被构造为通过将故障电流转换为热量来耗散故障电流。随着故障电流继续流过旁路电路209，跨MOV 207的电压(也称为MOV 207电压)增加直到电压达到其中MOV207被构造为钳位电压的电压，该钳位电压防止MOV 207电压进一步增加，也称为MOV 207钳位电压。辅助半导体器件211被构造为控制电流流过电压钳位电路206。辅助半导体器件211可以包括瞬态电压抑制(TSV)晶闸管、TVS二极管、IGBT或MOSFET，仅举几个示例。器件211还可以包括控制电路，该控制电路被构造为使用从旁路电路209接收的电流来操作器件211的半导体开关。

在功率系统的正常操作期间，关断辅助半导体器件211，从而降低MOV 207泄露电流并且阻断跨电压钳位电路206的电压的一部分。通过降低MOV泄露电流，电压钳位电路206被布置为在正常操作期间减少热应力和功率损失。通过阻断跨电压钳位电路206的电压的一部分，辅助半导体器件211降低了MOV 207的电压应力。

在故障条件期间，电压钳位电路206被构造为接通辅助半导体器件211，从而允许故障电流通过MOV 207流到端子203。辅助半导体器件211首先从旁路电路209接收故障电流与辅助半导体器件211导通之间发生短暂延迟。例如，在辅助半导体器件211包括TVS晶闸管的情况下，接通辅助半导体器件211可能需要几微秒(2μs至3μs)来构建器件内部载流子调制。作为延迟的结果，生成跨辅助半导体器件211的电压尖峰。

旁路电路209被构造为允许故障电流绕过MOV 207并且接通辅助半导体器件211。在某些实施例中，旁路电路209被构造为在没有控制电路的情况下接通辅助半导体器件211，从而简化了SSCB 200并且降低成本。通过绕过MOV 207，电压钳位电路206被构造为延迟MOV 207电压的增加，使得MOV 207电压与辅助半导体器件211的电压尖峰的组合永远不会超过MOV 207钳位电压。

在没有旁路电路209的情况下，故障电流可能从主开关器件205换向到MOV 207和辅助半导体器件211。辅助半导体器件211可能在其接通时生成电压尖峰，同时MOV 207电压达到MOV钳位电压，从而增加跨主开关器件205的总钳位电压。增加总钳位电压可能要求提高主开关器件205的电压额定值，从而降低主开关器件205的电压利用率。

旁路电路209可以包括电容器，该电容器被耦合在端子201与辅助半导体器件211之间，仅举一个示例。电容器可以耦合到半导体开关和辅助半导体器件211的控制电路。在某些实施例中，旁路电路209可以包括电阻器，该电阻器耦合到端子201和辅助半导体器件211的控制电路。

一旦在故障条件期间接通辅助半导体器件211，故障电流从旁路电路209换向到MOV 207。应当领会，在故障电流从旁路电路209换向到MOV 207之后，大部分故障开始流过MOV 207而非旁路电路，但部分故障电流可能继续流过旁路电路。仅举一个示例，在故障电流从旁路电路209换向到MOV 207之后，继续流过旁路电路209的那部分故障电流可能小于换向时故障电流幅度的1％。应当领会，SSCB200的任何或所有前述特征还可以存在于本文中所公开的其他断路器(诸如图4A、图7和图8所示的示例性固态断路器)中。

参考图3，图示了通过图2中SSCB 200的电压钳位电路206的电流路径301和303。在故障条件期间，电压钳位电路206中存在电流传导序列。在关断主开关器件205之后，故障电流流过路径301，该路径301包括旁路电路209和辅助半导体器件211。使用旁路电路209，接通辅助半导体器件211。当MOV 207电压上升到MOV 207钳位电压时，故障电流开始流过路径303，从而从旁路电路209换向到MOV 207。当故障电流降低到零或基本为零时，关断辅助半导体器件211以便与MOV 207共享阻断电压。在一个示例中，基本上为零可以是小于辅助半导体器件的保持电流点的电流幅度。因此，与独立MOV相比较，泄漏电流要小得多。

参考图4A，图示了示例性SSCB 400，该示例性SSCB 400包括并联耦合的主开关器件405和电压钳位电路406。主开关器件405包括端子401和403。电压钳位电路406包括在端子401与端子403之间被串联耦合在一起的MOV 407和TVS晶闸管411、以及包括与MOV 407并联耦合的电容器409的旁路电路。

参考图4B，曲线图420图示了TVS晶闸管411的电流-电压特点。TVS晶闸管411为双端双向器件。跨TVS晶闸管411端子的电压小于TVS晶闸管411的击穿电压时，TVS晶闸管411保持关断。当所施加的电压增加到击穿电压时，接通TVS晶闸管411。只要TVS晶闸管411的导通电流大于TVS晶闸管411的保持电流点，TVS晶闸管411就保持接通，而当电流降低到低于保持电流点时关断。

继续参考图4A，当TVS晶闸管411关断时，TVS晶闸管411阻断跨电压钳位电路406的电压的一部分，从而导致与不包括辅助半导体器件(诸如TVS晶闸管411)的电压钳位电路相比较，MOV 407具有较低的泄露电流。在故障条件期间，流过电容器409的故障电流为TVS晶闸管411的寄生电容器充电，从而增加其电压。当TVS晶闸管411的电压达到击穿电压时，接通TVS晶闸管411。由于构建了器件内部载波调制，所以接通TVS晶闸管411可能需要几微秒(2μs至3μs)。电容器409被构造为接通TVS晶闸管411并且吸收接通TVS晶闸管411期间生成的电压尖峰。由于TVS晶闸管411接通时，跨该TVS晶闸管411的电压只有几伏，所以电压钳位电路406的总钳位电压基本上由MOV 407的钳位电压确定。当故障电流减小到低于TVS晶闸管411的保持电流点时，TVS晶闸管411将关断并且与MOV 407共享部分阻断电压。

参考图5A至图5B，曲线图图示了两个固态断路器在故障条件期间的电气特性。图5A图示了包括串联耦合的MOV和TVS晶闸管而没有与MOV并联耦合的旁路电路的电压钳位电路的电压和电流波形。图5B图示了图4A中的电压钳位电路406的电压和电流波形。图5A包括电压波形曲线图510和电流波形曲线图520。曲线图510包括表示跨MOV和TVS晶闸管的总电压511、跨MOV的电压513、以及跨TVS晶闸管的电压515的线。曲线图520包括表示在MOV电压达到钳位电压之前流过SSCB的总故障电流521和流过MOV的钳位电流523的线。图5B包括电压波形曲线图530和电流波形曲线图540。图530包括表示跨MOV 407和晶闸管411的总电压531、跨MOV 407的电压533、以及跨晶闸管411的电压535的线。曲线图540包括表示在通过电容器409的故障电流达到总故障电流之前流过SSCB 400的总故障电流541、流过MOV 407的钳位电流543和流过电容器409的故障电流545的线。

如图5A所示，通过接通TVS晶闸管生成的电压尖峰与MOV电压达到MOV钳位电压同时发生，从而使得总钳位电压等于MOV钳位电压和TVS晶闸管击穿电压之和。相比之下，图5B所示的曲线图图示了包括旁路电路的示例性电压钳位电路的总钳位电压的降低。在电容器409与MOV 407并联的情况下，在接通TVS晶闸管411期间MOV电压受到电容器的限制。因此，TVS晶闸管411的电压尖峰与MOV 407的电压的组合永远不会超过MOV 407的钳位电压。

参考图6A和图6B，曲线图610和620图示了图4中的SSCB 400在700V源电压和130A电流中断下的实验结果。曲线图610和620各自包括线611，该线611表示跨MOV 407和TVS晶闸管411的总电压；线613，该线613表示跨TVS晶闸管411的电压；线615，该线615表示负载电流；以及线617，该线617表示流过电压钳位电路406的电流。在图6A中，可以发现在阻断状态期间，TVS晶闸管411与MOV 407共享部分电压(约80V)。当主开关器件405在130A负载电流下关断时，电流从器件405换向到电压钳位电路406，从而为跨TVS晶闸管411的电压充电，如图6B所示。当TVS晶闸管411电压达到击穿电压时，接通该TVS晶闸管411，并且该TVS晶闸管411的电压下降到导通状态电压。在该时段期间，MOV 407电压受电容器409限制，钳位电路电压略高于TVS晶闸管411的击穿电压。在接通TVS晶闸管411之后，钳位电路电压仅由MOV 407确定。如图6A所示，当故障电流下降到低于TVS晶闸管411的保持电流点时，再次关断TVS晶闸管411并且该TVS晶闸管411开始阻断电压。

参考图7，图示了示例性SSCB 700，该示例性SSCB 700包括并联耦合的主开关器件705和电压钳位电路706。主开关器件705包括端子701和703。电压钳位电路706包括MOV707、旁路电路709和辅助半导体器件711。旁路电路709包括电容器，该电容器被构造为接通辅助半导体器件711。辅助半导体器件711包括IGBT 713，该IGBT 713被耦合在MOV 707与端子703之间；以及控制电路，该控制电路被构造为使用从旁路电路709接收的故障电流来操作IGBT713。控制电路包括二极管715，该二极管715耦合到旁路电路709和IGBT 713的栅极。控制电路还包括齐纳二极管721、栅极电容器717和电阻器719，它们都被并联耦合在IGBT713的栅极与端子703之间。

在故障条件期间，故障电流首先流过旁路电路709和栅极电容器717。一旦IGBT713的栅极电压超过栅极阈值电压，就接通IGBT 713，并且故障电流流过旁路电路709和IGBT 713。当旁路电路709的电压上升到MOV 707的钳位电压时，故障电流从旁路电路709换向到MOV 707。当MOV 707吸收故障电流时，电阻器719被构造为对栅极电容器717放电。一旦跨栅极电容器717的电压减小到低于栅极阈值电压，就关断IGBT 713。

参考图8，图示了示例性SSCB 800，该示例性SSCB 800包括并联耦合的主开关器件805和电压钳位电路806。主开关器件805包括端子801和803。电压钳位电路806包括MOV807、旁路电路809和辅助半导体器件815。

旁路电路809包括耦合到端子801的电容器811和电阻器813。电容器811被构造为向辅助半导体器件815提供故障电流以有效接通辅助半导体器件815。电阻器813被构造为向辅助半导体器件815提供故障电流以有效关断辅助半导体器件815。

辅助半导体器件815包括IGBT 817，该IGBT 817被耦合在MOV807与端子803之间；以及控制电路，该控制电路被构造为使用从旁路电路809接收的故障电流来操作IGBT 817。控制电路包括栅极电容器819，该栅极电容器819被耦合在电容器811与端子803之间。IGBT817的栅极耦合到电容器811和栅极电容器819。控制电路还包括与栅极电容器819并联耦合的IGBT 821、被耦合在电阻器813与端子803之间的栅极电容器823、以及与栅极电容器823并联耦合的齐纳二极管。IGBT 821的栅极耦合到电阻器813和栅极电容器823。

在故障条件期间，故障电流流过电容器811和栅极电容器819。一旦IGBT 817的栅极电压超过栅极电压阈值，就接通IGBT 817，并且故障电流从旁路电路809换向到MOV 807。在MOV 807吸收故障电流时，一部分故障电流流过电阻器813和栅极电容器823。当IGBT821的栅极电压超过栅极电压阈值时，接通IGBT 821。响应于IGBT821被接通，IGBT 817的栅极电压减小到低于栅极阈值，从而关断IGBT 817。电容器811、819和823的电容以及电阻器813的电阻值的大小被设计为使得响应于电压钳位电路806接收到故障电流而接通IGBT 817，并且在故障电流减小到零时关断IGBT 817。

现在，提供对若干个示例性实施例的进一步书面描述。一个实施例是一种固态断路器(SSCB)，包括主开关器件，该主开关器件包括第一端子和第二端子；以及电压钳位电路，该电压钳位电路与主开关器件并联耦合，该电压钳位电路包括金属氧化物变阻器(MOV)，该MOV被串联耦合在第一端子与辅助半导体器件之间，该辅助半导体器件被布置为选择性地将MOV与第二端子耦合；以旁路电路，该旁路电路被耦合在第一端子与辅助半导体器件之间。

在上述SSCB的某些形式中，电压钳位电路被构造为在断开主开关器件后接收故障电流，并且其中辅助半导体器件被构造为响应于借助于旁路电路接收故障电流而接通。在某些形式中，响应于辅助半导体器件被接通，故障电流从旁路电路换向到MOV。在某些形式中，在接通辅助半导体器件之前，接通辅助半导体器件生成跨辅助半导体器件的电压尖峰，其中在接通辅助半导体器件之后，MOV电压增加到MOV钳位电压，并且其中电压钳位电路被构造为使得电压尖峰与MOV电压的组合永远不会超过MOV钳位电压。在某些形式中，旁路电路被构造为允许故障电流从第一端子流到辅助半导体器件而不流过MOV，以在MOV电压增加到MOV钳位电压之前有效接通辅助半导体器件。在某些形式中，电压钳位电路被构造为使得跨电压钳位电路的总钳位电压不会超过MOV钳位电压。在某些形式中，辅助半导体器件包括瞬态电压抑制(TVS)晶闸管或TVS二极管，该TVS晶闸管或TVS二极管被耦合在MOV与第二端子之间，并且其中旁路电路包括与MOV并联耦合的电容器。在某些形式中，辅助半导体器件包括开关器件和控制电路，其中开关器件和控制电路耦合到旁路电路。在某些形式中，旁路电路包括电容器，该电容器耦合到控制电路并且与MOV并联耦合。在某些形式中，旁路电路包括电容器以及电阻器，该电容器耦合到开关器件和控制电路，该电阻器耦合到控制电路。

另一示例性实施例是一种用于保护固态断路器(SSCB)的主开关器件的方法，该主开关器件包括：将电压钳位电路与主开关器件并联耦合，该电压钳位电路包括金属氧化物变阻器(MOV)、辅助半导体器件和旁路电路；在关断主开关器件之后，辅助半导体器件借助于旁路电路接收故障电流；使用故障电流接通辅助半导体器件；响应于辅助半导体器件被接通，将故障电流从旁路电路换向到MOV。

在上述方法的某些形式中，MOV与旁路电路并联耦合，其中MOV与辅助半导体器件的开关器件串联耦合。在某些形式中，故障电流从旁路电路换向到MOV在耦合到MOV的辅助半导体器件的开关器件闭合之后开始，而在MOV电压增加到MOV钳位电压时结束。在某些形式中，接通辅助半导体器件会生成跨辅助半导体器件的电压尖峰，其中在接通辅助半导体器件后，MOV的MOV电压增加到MOV钳位电压，其中电压钳位电路被构造为使得电压尖峰与MOV电压的组合永远不会超过MOV钳位电压。在某些形式中，旁路电路允许故障电流从SSCB的第一端子流向辅助半导体器件而不流过MOV，以在MOV电压达到MOV钳位电压之前有效接通辅助半导体器件。在某些形式中，电压钳位电路被构造为使得跨电压钳位电路的总钳位电压不超过MOV的MOV钳位电压。在某些形式中，辅助半导体器件包括瞬态电压抑制(TVS)晶闸管或TVS二极管，该TVS晶闸管或TVS二极管与MOV串联耦合，并且其中旁路电路包括电容器，该电容器与MOV并联耦合。在某些形式中，辅助半导体器件包括开关器件和控制电路，其中开关器件和控制电路耦合到旁路电路。在某些形式中，旁路电路包括电容器，该电容器耦合到控制电路并且与MOV并联耦合。在某些形式中，旁路电路包括电容器以及电阻器，该电容器耦合到开关器件和控制电路，该电阻器耦合到控制电路。

虽然已经在附图和前面描述中对本公开进行了说明和描述，但是其在性质上被认为是说明性的而非限制性的，应当理解的是，仅仅已经示出并描述了某些示例性实施例，并且期望保护落入本公开的精神内的所有改变和修改。应当理解的是，虽然使用在上述描述中利用的诸如“可优选的”、“优选地”、“优选的”或“更优选的”等之类的词语表明这样描述的特征可能更合意，但它可能并非必需的，并且缺乏相同内容的实施例可以被设想为在本公开的范围内，该范围由所附权利要求限定。在阅读权利要求时，旨在除非特别权利要求中有相关陈述，否则当使用诸如“一”、“一个”、“至少一个”或“至少一部分”之类的单词时，意图不会将权利要求限制为仅一项。术语“的(of)”可以暗示与另一项的关联或连接、以及属于如使用它的上下文所告知的另一项或与其的连接。除非有明确相反指示，否则术语“耦合到”、“与……耦合”等包括间接连接和耦合，而且还包括但不要求直接耦合或连接。除非有相反明确陈述，否则当使用语言“至少一部分”和/或“一部分”时，该项可以包括一部分和/或整个项。