[發明專利]一種微秒級電力電子開關裝置

在審

• 申請號: 201510015535.0
• 申請日: 2015-01-13
• 公開（公告）號: CN104617545A
• 公開（公告）日: 2015-05-13
• 發明（設計）人: 董新偉;鐘志祥;張成功;朱康康;闞葉飛;李帥帥;王從慶;顧丹虹
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: H02H3/08
• 分類號: H02H3/08;H02H3/20
• 代理公司: 無
• 代理人: 無

技術領域

本發明涉及一種開關裝置，具體涉及可快速響應輸入，將負載從電源端投入或切除，并在檢測到短路、過流或過壓發生時將負載快速切除的一種微秒級電力電子開關裝置。

背景技術

在大功率電力電子開關裝置的研制過程中，常常需要用到半控器件，如可控硅整流器（SCR），或全控器件，如電力場效應晶體管（MOSFET）、絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）等。在短路、過流或過壓發生時，這些器件通常在數十微秒至數毫秒內損壞，熔斷器甚至快速熔斷器也無法在這么短暫的時間內完成動作，從而導致炸機事故。在研制過程中，很容易出現因各種失誤而炸機的情況，炸機事故的發生不但會導致這些功率器件的損壞，還常常損壞電路板，造成的進線開關跳閘則會引起數據的丟失，影響他人的正常工作。更為嚴重的，可能引起火災或其他人身財產傷害。事后的維修工作需要花費大量時間，使得整個研制進度不得不推遲。

因而需要一種在發生短路、過流或過壓等狀況時能夠在數微秒內切斷電源的開關，這種開關顯然不能使用機械開關，因為機械開關的動作速度通常是幾毫秒至幾百毫秒數量級，遠遠達不到微秒級切斷的要求。也不能使用晶閘管作為開關，因為晶閘管不具有受控關斷的能力。這種開關應當以全控型開關器件為核心，加入短路保護、過流保護及過壓保護功能，由檢測和處理電路判斷接通和切斷時刻，同時增加各種保護措施，防止相關器件的損壞。

發明內容

本發明的目的在于提出一種收到指令后能夠在數微秒內接通或切斷電路并帶有短路保護、過流保護及過壓保護功能的電力電子開關裝置。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種微秒級電力電子開關裝置，包括絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1、反并聯二極管2、緩沖網絡3、過壓、退飽和檢測電路6、驅動控制電路7、驅動電路8以及電流傳感器11，裝置主電路設有緩沖網絡3，裝置有四個橋臂，每個橋臂擁有一個絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1和一個反并聯二極管2，驅動電路8由驅動控制電路7調控，絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1由驅動電路8控制，絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1設有過壓、退飽和檢測電路6，配有電流傳感器11，且電流傳感器11與電源端相連接。

附圖說明

圖1是本發明的主電路圖。

圖2是本發明短路保護和過壓保護電路圖。

?圖3是本發明過流保護電路圖。

其中：1、絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）；2、反并聯二極管；3、緩沖網絡；4、微秒級電力電子開關正極；5、微秒級電力電子開關負極；6、過壓、退飽和檢測電路；7、驅動控制電路；8、驅動電路；9、絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）集電極功率引腳；10、絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）發射極功率引腳；11、電流傳感器。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。

本發明主電路共有四個橋臂，每個橋臂由一個絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1和一個反并聯二極管2組成。絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1具有驅動功率小、開關速度快、通態壓降小和載流能力強等優點。反并聯二極管2可使絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1雙向導通，同時還可以保護絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1，防止其被反向高壓擊穿。緩沖網絡3由電容和電感串聯而成，用于限制開關關斷時的電壓上升率，保護絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1和反并聯二極管2。主電路的兩個極構成微秒級電力電子開關的兩個極，分別為微秒級電力電子開關正極4和微秒級電力電子開關負極5。當絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1獲得正向驅動導通后，微秒級電力電子開關即接通負載電源；當絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1獲得負向驅動關斷后，微秒級電力電子開關即切斷負載電源。電力電子器件往往需要由信息電子電路來控制，由于絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1所處理的功率較大，因此普通的信息電子電路信號一般不能直接控制絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1的導通或關斷，需要一定的中間電路對這些信號進行適當的放大，故配置驅動電路8。由信息電子電路組成的驅動控制電路7按照系統的要求形成控制信號，通過驅動電路8去控制主電路中絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1的導通或者關斷來完成整個系統的功能。由于主電路中往往有電壓和電流的過沖，絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1一般比較昂貴，但承受過電壓和過電流的能力有限，因此在主電路中附加保護電路以保護絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1的正常運行是十分必要的。短路保護利用的是絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1的飽和特性，當短路電流小于額定電流時，絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1飽和導通，當短路電流大于額定電流時，絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1退出飽和區而工作于放大區，導通壓降明顯增大。過壓、退飽和檢測電路6利用此特性檢測是否發生短路。過壓保護則直接利用過壓、退飽和檢測電路6檢測絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1的壓降，當接近其額定電壓時，則使絕緣柵極雙極型晶體管（IGBT）1工作于放大區，使器件壓降不再上升而達到過壓保護的目的。通過電流傳感器11采集流經微秒級電力電子開關的電源電流，將此電流平方后作移動積分，判斷積分值是否超出設定，若沒有超出設定則保持開關導通，否則立即發出切除指令以實現過流保護目標。