CN104753506A - 一种电磁触发式高压固态开关 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁触发式高压固态开关，包括触发回路部分和高压回路部分，触发回路部分包括控制信号输入部分、光耦隔离部分、H桥驱动电路、H桥、D触发器、能量开关和电磁感应部分，高压回路部分包括整流桥L、储能部分、栅极保护部分、IGBT开关和均压电路部分，所述H桥包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4。本发明可代替传统的气隙开关和机械开关，具有寿命长、性能稳定可靠、可控性高、导通速度快的优点，减少了副边高压侧对控制回路的影响，通过使用电磁耦合方式，对控制侧及高压侧进行了进一步的隔离，大幅度提高其抗干扰性能，高压回路部分加入了均压电路，在提高了同步性的同时，起到了防止IGBT开关击穿的作用。

Description

一种电磁触发式高压固态开关

技术领域

本发明涉及一种高压固态开关，具体是一种电磁触发式高压固态开关。

背景技术

近年来，电缆振荡波局部放电检测技术已经成为国内外高压电力电缆绝缘状况诊断的热门课题。振荡波检测技术主要用于交联聚乙烯电力电缆检测，属于离线检测的一种有效形式，其中高压固体开关是整个试验装置的核心部件，固体开关须具备耐受电压高、电流容量瞬间较大、导通速度快、无局部放电、无干扰、可重复性好、性能稳定等特点。

研究者正在试图用基于半导体器件的固体开关代替传统的气隙开关和机械开关，尤其在脉冲功率技术领域，固体开关的相关技术一直是研究的热点课题，这是因为固体开关具有寿命长、性能稳定可靠、可控性高、导通速度快的优点。在振荡波测试系统中，固体开关处于高电位点，触发电路的关键是如何将低电位的触发信号同步传递到处于各悬浮高电位的IGBT门极进而控制其通断状态。其中触发回路的设计是高压固态开关的重要部分。

根据信号传递方式的不同，触发方式主要包括光纤触发、光耦触发和电磁触发。光纤控制触发电力电子器件，可以解决电磁干扰和高压隔离的问题，但在多级串联时，光纤线路庞杂，并且各级光电转换器的悬浮工作模式下的电能供应比较棘手。

电磁触发是将低电位触发脉冲信号经脉冲变压器隔离后送到高电位电力电子器件门极。脉冲变压器利用磁作为媒介，实现触发电路与主电路之间的隔离，具有可靠性高、电路简单、成本低等优点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种触发时间短、耐压等级高的电磁触发式高压固态开关，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种电磁触发式高压固态开关，包括触发回路部分和高压回路部分，所述触发回路部分包括控制信号输入部分、光耦隔离部分、H桥驱动电路、H桥、D触发器、能量开关和电磁感应部分，所述控制信号输入部分包括200kHz的方波信号和1Hz的控制信号，所述200kHz的方波信号通过光耦隔离部分分别连接H桥驱动电路和D触发器的CP端，所述1Hz的控制信号连接D触发器的D端，D触发器的Q端连接能量开关，所述H桥驱动电路的输出端和能量开关的输出端均通过H桥连接电磁感应部分中的初级线圈；

所述高压回路部分包括整流桥L、储能部分、栅极保护部分、IGBT开关和均压电路部分，电磁感应部分中次级线圈的上端连接整流桥L的1脚，次级线圈的下端连接整流桥L的3脚，整流桥L的2脚分别连接储能电容Cs和外部栅极电阻Rg，整流桥L的4脚分别连接储能电容Cs另一端和内部栅极电阻Rgin，外部栅极电阻Rg另一端分别连接内部栅极电阻Rgin另一端、钳位二极管Gge和IGBT开关的栅极，IGBT开关的源极分别连接静态均压电阻Rb、限流电阻Rs和二极管D，IGBT开关的漏极分别连接静态均压电阻Rb另一端和缓冲电容Cb，缓冲电容Cb另一端分别连接限流电阻Rs另一端和二极管D另一端。

作为本发明再进一步的方案：所述H桥包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可代替传统的气隙开关和机械开关，具有寿命长、性能稳定可靠、可控性高、导通速度快的优点，本发明中触发回路部分加入了光耦隔离，减少了副边高压侧对控制回路的影响；加入了H桥和H桥驱动电路，加强了对输出触发信号的波形控制；加入了D触发器控制能量开关，提高了同步性能；通过使用电磁耦合方式，对控制侧及高压侧进行了进一步的隔离，大幅度提高其抗干扰性能，并且达到了一对多的控制效果，在传递能量的同时，保持了其同步性能，高压回路部分加入了均压电路，在提高了同步性的同时，起到了防止IGBT开关击穿的作用，同时加入栅极保护电路，降低了IGBT击穿的概率。

附图说明

图1为本发明中触发回路部分的结构示意图。

图2为本发明触发回路部分中H桥的电路原理图。

图3为本发明中高压回路部分的结构示意图。

图4为本发明高压回路部分中均压电路连接图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1，一种电磁触发式高压固态开关，包括触发回路部分和高压回路部分，所述触发回路部分包括控制信号输入部分、光耦隔离部分、H桥驱动电路、H桥、D触发器、能量开关和电磁感应部分，所述控制信号输入部分包括200kHz的方波信号和1Hz的控制信号，所述200kHz的方波信号通过光耦隔离部分分别连接H桥驱动电路和D触发器的CP端，保证了触发的同步性，避免了不完全触发。所述1Hz的控制信号连接D触发器的D端，D触发器的Q端连接能量开关，所述H桥驱动电路的输出端和能量开关的输出端均通过H桥连接电磁感应部分中的初级线圈，所述H桥包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4。

所述H桥驱动电路利用驱动板程序驱动H桥中MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4的开闭状态，从而控制输出节点输出触发信号的极性，再通过驱动板控制交替的频率，达到对输出频率的控制。

所述D触发器的Q端输出控制能量开关的开合，当能量开关断开时，输出节点不具有能量，当能量开关闭合时，输出节点可以输出能量，从而使触发同步，最后具有能量的触发信号经电磁感应部分中的铁氧体磁环传至复变对高压回路进行控制。

所述光耦隔离部分是把发光二极管和光敏三极管封装在一起，光耦隔离部分使被隔离的两部分电路之间没有电的直接连接，主要是防止因有电的连接而引起的干扰，特别是低压的控制电路与外部高压电路之间。

所述电磁感应部分是将两个能量节点用导线连接，导线穿过铁氧体磁环，在铁氧体磁环上缠绕副边感应线圈，将圆边触发信号回路与副边高压回路输入信号回路通过电磁耦合的方式连接在一起，达到传递信息及能量的目的。

所述高压回路部分包括整流桥L、储能部分、栅极保护部分、IGBT开关和均压电路部分，电磁感应部分中次级线圈的上端连接整流桥L的1脚，次级线圈的下端连接整流桥L的3脚，整流桥L的2脚分别连接储能电容Cs和外部栅极电阻Rg，整流桥L的4脚分别连接储能电容Cs另一端和内部栅极电阻Rgin，外部栅极电阻Rg另一端分别连接内部栅极电阻Rgin另一端、钳位二极管Gge和IGBT开关的栅极，IGBT开关的源极分别连接静态均压电阻Rb、限流电阻Rs和二极管D，IGBT开关的漏极分别连接静态均压电阻Rb另一端和缓冲电容Cb，缓冲电容Cb另一端分别连接限流电阻Rs另一端和二极管D另一端。

所述触发回路传来的触发信号经过整流桥L进行平波整流处理后，流经储能部分和栅极保护部分，储存部分能量并对栅极作出相应保护。所述整流桥L采用四支20V整流二极管进行桥型连接，整流二极管的一次导通过程，可视为一个选通脉冲，其脉冲重复频率等于线圈复变感应频率。在IGBT开关导通或关断时，触发阶段能量需求较大，由低压控制端通过高频电磁感应的方式提供触发能量，均压电路中由二极管D、静态均压电阻Rb和缓冲电容Cb组成的RCD缓冲电路实现均压，在IGBT开关处于静态时，维持阶段能量需求较小，利用储能电容Cs放电维持一定时间内持续导通，均压电路中由静态均压电阻Rb实现均压，避免了触发回路引入干扰信号，并由钳位二极管Dge提供钳位保护。

本发明可代替传统的气隙开关和机械开关，具有寿命长、性能稳定可靠、可控性高、导通速度快的优点，本发明的触发回路部分加入了光耦隔离，减少了副边高压侧对控制回路的影响；加入了H桥和H桥驱动电路，加强了对输出触发信号的波形控制；加入了D触发器控制能量开关，提高了同步性能；通过使用电磁耦合方式，对控制侧及高压侧进行了进一步的隔离，大幅度提高其抗干扰性能，并且达到了一对多的控制效果，在传递能量的同时，保持了其同步性能，高压回路部分加入了均压电路，在提高了同步性的同时，起到了防止IGBT开关击穿的作用，同时加入栅极保护电路，降低了IGBT击穿的概率。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (2)

1.一种电磁触发式高压固态开关，包括触发回路部分和高压回路部分，其特征在于，所述触发回路部分包括控制信号输入部分、光耦隔离部分、H桥驱动电路、H桥、D触发器、能量开关和电磁感应部分，所述控制信号输入部分包括200kHz的方波信号和1Hz的控制信号，所述200kHz的方波信号通过光耦隔离部分分别连接H桥驱动电路和D触发器的CP端，所述1Hz的控制信号连接D触发器的D端，D触发器的Q端连接能量开关，所述H桥驱动电路的输出端和能量开关的输出端均通过H桥连接电磁感应部分中的初级线圈；

所述高压回路部分包括整流桥L、储能部分、栅极保护部分、IGBT开关和均压电路部分，电磁感应部分中次级线圈的上端连接整流桥L的1脚，次级线圈的下端连接整流桥L的3脚，整流桥L的2脚分别连接储能电容Cs和外部栅极电阻Rg，整流桥L的4脚分别连接储能电容Cs另一端和内部栅极电阻Rgin，外部栅极电阻Rg另一端分别连接内部栅极电阻Rgin另一端、钳位二极管Gge和IGBT开关的栅极，IGBT开关的源极分别连接静态均压电阻Rb、限流电阻Rs和二极管D，IGBT开关的漏极分别连接静态均压电阻Rb另一端和缓冲电容Cb，缓冲电容Cb另一端分别连接限流电阻Rs另一端和二极管D另一端。

2.根据权利要求1所述的电磁触发式高压固态开关，其特征在于，所述H桥包括MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3和MOS管Q4。