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(jī)械斷路器MCB無法提供及時(shí)有效保護(hù)。為保護(hù)低壓直流電網(wǎng)中的電源、負(fù)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(jì)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(jī)械觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對直流電路的快速通斷控制。相較于機(jī)械式斷路器MCB，其核心優(yōu)勢在于無物理接觸點(diǎn)、響應(yīng)速度快、壽命長，且在短路故障時(shí)能快速限流或切斷電路，提升系統(tǒng)安全性。
超快速保護(hù)：微秒級響應(yīng)速度，遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)機(jī)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(jī)械開關(guān)分?jǐn)鄷r(shí)的電弧拉弧問題，減少設(shè)備損耗和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)
低損耗高效率：效率高達(dá)到99.9%
故障識別和保護(hù)：過壓過流短路保護(hù)
在線配置傳統(tǒng)MCB的過載保護(hù)曲線
無線通信：基于互聯(lián)網(wǎng)的無線通訊，可實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)
計(jì)量功能：上報(bào)測量的電壓、電流至互聯(lián)網(wǎng)
超長壽命：無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，減少磨損和故障率，適合頻繁操作的環(huán)境
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(hù)等。
工業(yè)設(shè)備：用于自動(dòng)化產(chǎn)線、機(jī)器人等設(shè)備的直流電源管理，防止過載或短路損壞。
電動(dòng)汽車充電樁：在直流快充樁中保護(hù)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(hù)，提升基站運(yùn)行穩(wěn)定性。
數(shù)據(jù)中心：為400V機(jī)房低壓直流供電系統(tǒng)提供高效保護(hù)，提升數(shù)據(jù)中心運(yùn)行穩(wěn)定性。
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(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)提供低壓開關(guān)條件。帶有RC緩沖電路和MOV的保護(hù)支路，防止SSCB斷開時(shí)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(dāng)?shù)牟僮?。在?fù)極安裝了機(jī)械繼電器，以便在斷路器斷開時(shí)提供物理隔離。
軟件方案介紹
SSCB啟動(dòng)時(shí)，首先閉合機(jī)械繼電器，然后閉合旁路支路。旁路支路IGBT閉合后，負(fù)載電流開始流動(dòng)，啟動(dòng)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(fù)載電流將從旁路支路流向到主支路。SDB斷開時(shí)，MOSFET在低電壓時(shí)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(fù)載電流就變?yōu)榱?。旁路支路關(guān)斷后，機(jī)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。
主控處理器介紹
UM32G421功能框圖
處理器內(nèi)核：Cortex-M4，最高主頻 204MHz
內(nèi)置單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元，支持DSP指令集
64KB SRAM，256KB eFlash
最多支持54個(gè)GPIO，20/14/6/2mA 四檔驅(qū)動(dòng)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(shí)兼容CAN2.0A/B 協(xié)議
1個(gè)12位DAC，采樣率1Msps
2個(gè)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(gè)OPA ，3個(gè)ACMP
1個(gè)USB接口，支持全速USB FS Device 接口（內(nèi)置PHY）
集成Cordic運(yùn)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(jī)
功能參數(shù)
額定電壓 / 電流：400V DC / 40A
效率：>99.9%（從10%到100%負(fù)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
測試波形
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?jǐn)嘈枨?、電?dòng)汽車的直流快充樁對高安全性和高效能保護(hù)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(dá)到了1.02億美元，預(yù)計(jì)2030年將達(dá)到12.03億美元，年復(fù)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(qiáng)烈需求。
