Analysis, design and prototype realization of a Z-source solid state circuit breaker

In recent years the supremacy of AC powered systems over DC ones has been brought into question. With the coming of electric cars and the cost reduction of photovoltaic systems, DC grids have started gaining traction. On top of that, loads attached to this kind of grids have become more delicate and susceptible to faults, to the point where a refinement of the conventional protection devices was needed. For this reason, faster, more reliable and customizable solid state circuit breakers have been developed, but their adoption has been slow because of their high prices compared to their mechanical competitors. This thesis seeks to analyse in detail the operation of a solid state DC circuit breaker based on the recently discovered Z-source configuration in conjuction with a SCR semiconductor device. A PSPICE simulation model is realized and all the aspects of this topology are studied. A functioning low voltage prototype is first designed and then developed and tested. Sizing equations and tools to design variants of the breaker are explained. Components selection criteria are found and presented. Real world applications are deduced and further refinements of the SCR circuit are explored. Another solid state circuit breaker (SSCB) featuring MOSFETs is presented and compared against the former to study the advantages the Z-source solid state circuit breaker brings to the table with regards to what is currently on the market. A comparision regarding the different application fields of the two breakers is proposed. Goal of this work is to understand if this particular type of breaker is capable of bridging the gap between old mechanical breakers and new solid state ones, accelerating the market adoption of electronic breakers.

Negli ultimi anni la supremazia dei sistemi alimentati in corrente alternata rispetto a quelli alimentati in continua è stata messa in discussione. Con l'avvento delle macchine elettriche e la diminuazione dei costi legati ad impianti fotovoltaici, le reti in corrente continua hanno iniziato a prendere piede. In aggiunta a questo, i carichi connessi a suddette reti sono diventati più delicati e suscettibili rispetto ad avarie, al punto che un miglioramento dei dispositivi di protezione convenzionali era necessario. Per questa ragione sono stati sviluppati interruttori a stato solido, i quali sono migliori in termini di velocità, affidabilità e personalizzazione, ma la loro adozione è stata lenta per via del costo alto rispetto ai concorrenti meccanici. Questa tesi ha lo scopo di analizzare in dettaglio il funzionamento di un interruttore in corrente continua a stato solido basato sulla recente configurazione Z-source combinato con un dispositivo a semiconduttore SCR. Viene sviluppato un modello di simulazione PSPICE e studiati tutti gli aspetti che lo caratterizzano. Viene progettato e realizzato un prototipo funzionante a bassa tensione e successivamente testato. Sono spiegate le equazioni per il dimensionamento e i metodi di progettazione delle varianti. I criteri di selezione dei componenti vengono trovati e presentati. Vengono presentate applicazioni del mondo reale e vengono proposti ulteriori perfezionamenti del circuito SCR. Un altro interruttore automatico a stato solido (SSCB) con MOSFET viene presentato e confrontato con il primo per studiarne i vantaggi rispetto a ciò che è attualmente sul mercato. Viene proposta una comparazione dei differenti possibili impieghi dei due tipi di interruttore. Obiettivo di questa tesi è di capire se questo tipo di interruttore è in grado di coprire il divario tra i vecchi interruttori meccanici e i nuovi a stato solido, accelerando l'adozione di interruttori elettronici da parte del mercato.