[實用新型]一種供電觸發一體化的串聯高壓開關模塊

有效

• 申請號: 201920173778.0
• 申請日: 2019-01-31
• 公開（公告）號: CN209267427U
• 公開（公告）日: 2019-08-16
• 發明（設計）人: 譚笑;陳杰;劉洋;胡麗斌;李陳瑩;曹京滎;賈勇勇;楊賽柯;盧雨欣;李洪杰
• 申請（專利權）人: 國網江蘇省電力有限公司電力科學研究院;國家電網有限公司;西安交通大學;江蘇省電力試驗研究院有限公司
• 主分類號: H02M1/08
• 分類號: H02M1/08;H02M1/00;H01F17/06
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 吳海燕

本實用新型公開了一種供電觸發一體化的串聯高壓開關模塊，包括IGBT及其附屬電路、磁芯和邏輯選擇電路；所述磁芯上繞制3組繞組，包括模塊輸入繞組、上級輸出繞組和下級輸入繞組；模塊輸入繞組接入IGBT及其附屬電路和邏輯選擇電路，上級輸出繞組和下級輸入繞組分別作為輸入和輸出與相鄰模塊的磁芯的繞組以手拉手方式連接；當高頻方波發生電路輸出重復低幅值方波時，每級模塊以供電模式工作；當高頻方波發生電路輸出單次高幅值方波時，每級模塊以觸發模式工作。本實用新型將多個IGBT模塊上的磁芯以多繞組方式級聯，同時實現多個IGBT開關單元的供電及同步觸發功能的一體化，解決高壓IGBT串聯時高壓部分與其附屬供電及觸發電路自然隔離的難題。

技術領域

本實用新型涉及電力電子開關，尤其涉及一種供電觸發一體化的串聯高壓開關模塊。

背景技術

電力電子技術隨著功率半導體器件性能的提高以及制造成本的下降在民用及軍事等諸多領域得到了廣泛應用。目前IGBT、MOSFET等全控功率器件的最高耐壓及通流能力水平達到了10kV、200A。這種半導體器件完全能夠滿足普通的工業應用需求。然而，在涉及大電流、高電壓、高功率的高新技術領域，這些功率器件的單體耐壓及通流能力已經不能滿足相應的需求。比如，在電力工業，大功率高壓電力電子變壓器通常需要電壓30kV電流2000A以上的輸出；在高端測試儀器和設備領域，先進的醫用X射線發生器上需要產生數百千伏(kV)高穩定的高壓，用于電力電纜耐壓及局部放電診斷測試的高壓超低頻及振蕩波發生器需要輸出數百千伏(kV)的0.1Hz正弦波、0.1Hz余弦方波、30-300Hz的衰減振蕩波；在高功率脈沖領域，需要輸出功率達數百兆瓦(MW)的快速高電壓大電流。

鑒于單體器件性能水平有限，通過多個IGBT、MOSFET器件的串并聯來實現高壓大電流產生。在串聯使用中，需要解決為處于數百千伏(kV)電位的單個IGBT觸發及控制電路的供電以及觸發信號的傳遞等問題。當前，大多采用高絕緣隔離變壓器、少數直接采用獨立電池來為控制電路供電，采用光纖來傳遞觸發信號。然而，高絕緣隔離變壓器絕緣要求高，通常體積大、重量大，制造成本也高，而光纖傳遞觸發信號的采用涉及光電、電光轉換等外圍電路，也增加了系統的復雜性和制造成本以及運行維護的難度。

因此，設計和制造高電壓大電流的電子開關時，高效、可靠、具有模塊化可拓展等特點的隔離供電及觸發方法實屬當前高端電力電子技術研究、設計及應用領域中的一個重要課題。

實用新型內容

發明目的：針對以上問題，本實用新型提出一種供電觸發一體化的串聯高壓開關模塊，將多個IGBT模塊上的磁芯以多繞組方式級聯，同時實現多個IGBT開關單元的供電及同步觸發功能的一體化，解決高壓IGBT串聯時高壓部分與其附屬供電及觸發電路自然隔離的難題。

技術方案：為實現上述設計目的，本實用新型所采用的技術方案是：一種供電觸發一體化的串聯高壓開關模塊，包括若干串聯的開關單元和幅值可調的高頻方波發生電路，所述開關單元包括IGBT及其附屬電路、磁芯和邏輯選擇電路；所述磁芯上繞制3組繞組，包括為本級電路供電的模塊輸入繞組、為上級電路供電的上級輸出繞組和從下級電路取電的下級輸入繞組；模塊輸入繞組接入IGBT及其附屬電路和邏輯選擇電路，上級輸出繞組和下級輸入繞組分別作為輸入和輸出與相鄰模塊的磁芯的繞組以手拉手方式連接；所述高頻方波發生電路為第一級模塊的下級輸入繞組提供幅值可調的高頻方波；通過磁芯的耦合傳輸到每個開關單元；當高頻方波發生電路輸出重復低幅值方波時，邏輯選擇電路判斷為供能信號，IGBT關斷，每級模塊以供電模式工作；當高頻方波發生電路輸出單次高幅值方波時，邏輯選擇電路判斷為觸發信號，IGBT導通，每級模塊以觸發模式工作。

進一步地，IGBT及其附屬電路包括整流二極管、儲能電容、雙電平DC/DC模塊、雙電平IGBT驅動芯片和IGBT；IGBT及其附屬電路接收高頻方波，經整流二極管整流后對儲能電容供電，儲能電容接雙電平DC/DC模塊，可同時輸出兩個等級的電壓，雙電平DC/DC模塊接雙電平IGBT驅動芯片，用于控制IGBT的導通與關斷。