[發明專利]高壓固體開關

有效

• 申請號: 201310653366.4
• 申請日: 2013-12-05
• 公開（公告）號: CN103684386B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發明（設計）人: 江軍;馬國明;李成榕;羅定平;李慶民
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: H03K17/94
• 分類號: H03K17/94
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司11240
• 代理人: 吳貴明,張永明

技術領域

本發明涉及電力設備領域，具體而言，涉及一種高壓固體開關。

背景技術

隨著電力電子器件和相關技術的蓬勃發展，越來越多的高壓設備可以通過電力電子器件和電力電子技術實現控制和電能變換。但是單個電力電子器件耐壓水平十分有限，應用于高電壓等級的場合時，需通過多個串聯的方式承受較高電壓。典型的應用如高壓直流輸電領域中的換流閥、脈沖功率技術中的高壓固體開關等，都需要很多級電力電子器件的串聯和并聯使用。下面以高壓固體開關為例進行簡要說明。高壓固體開關通常采用多級功率金屬氧化層半導體場效晶體管（Metal?Oxide?Semiconductor?Field-Effect?Transistor，簡稱MOSFET）或絕緣柵雙極型晶體管（Insulated?Gate?Bipolar?Transisto，簡稱IGBT）或晶閘管（Silicon?Controlled?Rectifier，簡稱SCR）等電力電子器件串串并聯而成，其難點包括驅動供能、驅動同步觸發、級間絕緣以及靜動態均壓的設計。因此設計良好的驅動電路電能供給、驅動電路同步觸發、各級串聯驅動電路的相互絕緣以及串聯電力電子器件間的靜動態均壓是保障高壓固體開關穩定安全工作的前提。

現有高壓固體開關觸發控制方式主要包括電磁觸發控制和光纖觸發控制兩種。電磁觸發方式核心器件是脈沖變壓器，是基于電磁耦合原理，將低電位的觸發信號經過脈沖變壓器隔離后傳送到高電位晶閘管門級，實現多路同步觸發；光纖觸發核心器件是光纖線、光電發生器和接收器，是基于光電轉化和光纖通信原理，觸發信號通過光纖傳送到高壓側，經處理后驅動各個電力電子器件的門極，實現多路同步觸發。所述的觸發控制都需要解決低壓控制信號與高壓電磁環境下的電氣絕緣設計和布局問題。常規的做法主要是沿著高壓側電勢降低的方向垂直向下布置各級電力電子器件及其輔助電路。無論是電磁觸發控制方式，還是光纖觸發控制方式都會存在布線復雜、價格昂貴、設計繁瑣、設備體積大、性能低下等明顯的缺點，這些缺點嚴重制約著高壓設備的使用和推廣以及集成等方面。具體而言：

（1）布線復雜、設計繁瑣。單級電力電子器件的控制模塊需要與外部連接控制線以及能量控制線，由于一般級數較多，布線變得復雜，整體設計顯得繁瑣。

（2）價格昂貴、體積龐大。由于需要為各級考慮絕緣的問題，垂直布置時往往存在著反復考慮的問題，使得較低電壓處的絕緣反復設計，整個設備的體積龐大，絕緣成本等大幅上升。

（3）性能低下。高壓電力電子設備工作時是需要多級串聯的電力電子器件同步通斷的，而體積龐大、間距較遠的布局設計不利于實現同步，導致整個性能下降。

針對相關技術中電力電子器件的布局結構所存在的問題，目前尚未提出有效的解決方案。

發明內容

本發明的主要目的在于提供一種高壓固體開關，該高壓固體開關也稱開關設備，以解決現有技術中電力電子器件的布局結構所存在的問題。

為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種高壓固體開關，包括：絕緣筒；單層電路板，單層電路板的數量為多個，多個單層電路板層疊式布置在絕緣筒內，每個單層電路均用于布置電力電子器件和電力電子器件的輔助電路；以及電極，用于連接多個單層電路板和均勻電場。

進一步地，高壓固體開關還包括：底座，與絕緣筒相連接；以及均壓環，套設在絕緣筒上。

進一步地，單層電路板為圓形電路板，單層電路板包括：中心走線孔，設置在單層電路板的圓心處；第一安裝孔，第一安裝孔的數量為多個，多個第一安裝孔均勻設置單層電路板上，用于安裝電力電子器件；以及第二安裝孔，第二安裝孔的數量為多個，多個第二安裝孔均勻設置單層電路板上，用于安裝電力電子器件的輔助電路，絕緣筒具有與中心走線孔相配合的中軸空心桿。

進一步地，電極包括：出線電極；以及均壓電極，均壓電極為環形，單層電路板還包括：電極連接孔，用于安裝出線電極；以及絕緣氣隙，其中，絕緣氣隙第一側的承載電壓大于或等于單層電路板的任一電壓，絕緣氣隙第二側的承載電壓小于或等于單層電路板的任一電壓，并且絕緣氣隙的承載電壓大于第一承載電壓和第二承載電壓的差值，第一側和第二側為絕緣氣隙的相對兩側，第一承載電壓為第一側的承載電壓，第二承載電壓為第二側的承載電壓。

進一步地，中軸空心桿與絕緣筒的外壁為一體結構。

進一步地，電力電子器件和電力電子器件的輔助電路構成多級電路，其中，第一距離大于或等于電力電子器件的孔距，第一距離為相鄰級電路的多個第二安裝孔中任意兩個相鄰安裝孔之間的距離。