船用直流电力系统的发展对低压直流开断提出了新的要求,直流系统开断的典型特点是不会像交流系统那样产生自然过零。传统的直流系统在进行故障切除时,通过机械接触点来分断,由于线路存在电感,所以在分断电流时会产生电弧,对机械开关内的触头造成较大的损耗。如果负载发生严重故障,机械式断路器关断相对较慢,很可能会影响直流系统的稳定运行。针对传统断路器分断速度慢、分断过程有燃弧等问题,采用功率半导体器件的固态断路器更适合直流系统的故障保护。根据低压船用直流配电系统的结构特点,总结出直流电力系统对开断的技术要求。介绍了直流固态断路器的基本组成结构,分析了半控型和全控型两种不同主开关的直流固态断路器工作原理,对两种类型断路器的性能进行了比较,基于晶闸管的半控型直流固态断路器综合性能更突出,将其作为本文的研究重点。首先对晶闸管器件结构和正、反向特性进行了介绍,结合Z源网络电路推导出Z源直流固态断路器参数设计理论,包括:触发断路器关断的最小故障电流与器件参数之间的关系;故障电流最小上升率;Z源网络中相关元器件参数设计的理论依据;晶闸管反向恢复时间的变化规律。利用仿真软件对三种拓扑结构的Z源断路器进行了建模仿真,通过仿真结果看出,基于晶闸管的半控型直流固态断路器关断时间和电流的峰值由Z源网络器件参数决定,关断特性稳定,与理论推导的结果一致。根据电压传递函数和伯德图分析了三种拓扑的幅频特性,串联式Z源直流固态断路器相比其它两种拓扑具有最优的开断性能和低通滤波器特性。在串联式Z源直流固态断路器的基础上提出一种双向Z源直流固态断路器拓扑结构。分析了双向正常运行时的工作原理,重点研究了双向故障开断设计,包括负载侧故障时和电源侧故障时触发断路器关断的最小电流,故障电流最小上升率,内部元件峰值电压和电流。最后,通过仿真软件PLECS和搭建实验平台对推导的理论公式进行了验证,实验结果证明,提出的双向Z源直流固态断路器在短路故障发生时能够快速关断,有效的保护电源和负载安全。当Z源网络中相关参数设置不符合理论推导值时,断路器无法切除故障,证明了相关的理论推导是成立的。另外,串联式双向Z源直流固态断路器不仅开断速度快,其优点还包括体积小,制造成本低,有利于尽快投入到实际应用中。