CN111276312A - 一种用于大电流igbt器件的超导磁体主回路开关装置 - Google Patents

一种用于大电流igbt器件的超导磁体主回路开关装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于大电流IGBT器件的超导磁体主回路开关装置，包括电流源模块以及和电流源模块连接的IGBT主回路模块、电压电流检测模块、低温容器和失超检测仪，低温容器内部设置有超导磁体，用以保持超导磁体处于极低温状态；失超检测仪与超导磁体桥式电接，用以对超导磁体上产生的失超信号进行检测；IGBT主回路模块串联于电流源模块及低温容器内的超导磁体之间，用以接收失超检测仪探测到超导磁体失超后发出的失超触发信号进而快速分断电源供电主回路；电压电流检测模块并联在低温容器内的超导磁体两端，用以检测超导磁体两端的运行电压电流。

Description

一种用于大电流IGBT器件的超导磁体主回路开关装置
技术领域
本发明涉及超导磁体主回路模块领域，特别涉及一种用于大电流IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)器件的超导磁体主回路开关模块。
背景技术
自从1911年人们发现超导电性以来，超导技术的发展给电工技术带来质的飞跃。相对于常规磁体，由于超导磁体可以在大空间产生高磁场而只消耗很少的电能，由于其可以在更高的电流密度下运行，从而使线圈体积更小，重量更轻，在大型科学装备、生物医学领域、交通领域、电工领域等都得到广泛的发展及运用。
考虑到超导磁体的运行特性，对于开环带电源运行的超导磁体系统，其电源系统，主要包括了电流源模块、控制器、励磁/退磁主回路、失超检测及保护系统等，以满足对于超导磁体的励磁/退磁运行、安全监测、失超保护等功能。超导磁体电源系统主回路连接了电源模块以及超导磁体，一般包含主回路开关、退磁回路以及外部失超保护回路等，通过对主回路开关的控制实现超导磁体的励磁/退磁、失超保护等功能。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种用于大电流IGBT器件的超导磁体主回路开关装置，通过对主回路开关的控制实现超导磁体的励磁/退磁、失超保护等功能。
为了达到上述发明目的，解决其技术问题所采用的技术方案如下：
一种用于大电流IGBT器件的超导磁体主回路开关装置，包括电流源模块以及和所述电流源模块连接的IGBT主回路模块、电压电流检测模块、低温容器和失超检测仪，其中：
所述低温容器内部设置有超导磁体，用以保持所述超导磁体处于极低温状态；
所述失超检测仪与所述超导磁体桥式电接，用以对所述超导磁体上产生的失超信号进行检测；
所述IGBT主回路模块串联于所述电流源模块及所述低温容器内的超导磁体之间，用以接收所述失超检测仪探测到超导磁体失超后发出的失超触发信号进而快速分断电源供电主回路；
所述电压电流检测模块并联在所述低温容器内的超导磁体两端，用以检测所述超导磁体两端的运行电压电流。
进一步的，所述IGBT主回路模块包括IGBT主回路开关、MOSFET前级开关、退磁回路二极管组和移能电阻，其中：
所述IGBT主回路开关与所述超导磁体的一端串联，用以提供大电流主回路通断控制以及在接收到所述失超检测仪失超触发信号后分断主回路，所述超导磁体接入所述移能电阻泄能回路；
所述MOSFET前级开关与所述IGBT主回路开关串联，用以在所述超导磁体失超后彻底隔离所述电流源模块，防止所述电流源模块内部回路对所述超导磁体放电回路产生未知干扰，同时保护所述电流源模块不受所述超导磁体的失超电压冲击；
所述退磁回路二极管组通过所述IGBT主回路开关并联在所述低温容器内的超导磁体两端，用以为所述超导磁体提供退磁回路并通过调整所述退磁回路二极管组的串并联数量来满足额定最高运行电流和不同的退磁速率；
所述移能电阻并联在所述低温容器内的超导磁体两端，用以实现IGBT电流快速转换并释放储存在超导磁体内的能量。
进一步的，所述IGBT主回路开关的导通/分断时间均小于5μs，可快速分断主回路，在所述超导磁体失超后快速切换进入失超放电回路。
进一步的，所述移能电阻采用无感绕制的微感电阻。
进一步的，所述退磁回路二极管组由不同数量的快恢复二极管串联/并联而成，每个快恢复二极管通态压降为0.85V，并联的快恢复二极管数量由二极管额定电流和超导磁体额定电流决定；串联的快恢复二极管数量由超导磁体的电感以及设计的退磁速率决定。
本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：
本发明一种用于大电流IGBT器件的超导磁体主回路开关装置，其IGBT主回路模块在1000A超导磁体运行中得到了运用，通过了超导磁体的励磁/退磁及失超保护验证，IGBT主回路开关切换时间小于5μs，实现了对超导磁体的快速保护。超导磁体IGBT主回路模块在各种开环运行的超导磁体系统中具有广泛的运用，为超导磁体的安全运行提供了有利的保障。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。附图中：
图1是本发明一种用于大电流IGBT器件的超导磁体主回路开关装置的结构示意图。
【主要符号说明】
1-电流源模块；
2-IGBT主回路模块；
21-IGBT主回路开关；
22-MOSFET前级开关；
23-退磁回路二极管组；
24-移能电阻；
3-电压电流检测模块；
4-低温容器；
5-失超检测仪。
具体实施方式
以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
无论是由低温超导材料或者高温超导材料制造而成的超导磁体，必须运行在满足其超导条件的低温环境，而超导体在通电运行过程中，由于热、机械扰动、电磁干扰等因素，导致超导体中出现正常区域，即产生失超现象，严重而未及时处理的失超可能致使超导磁体局部过热可能引起过大的热应力或者烧毁绝缘，对磁体造成不可恢复的损坏，因而失超检测及失超保护是超导磁体设计及运行过程中需要着重考虑的因素。
超导磁体的失超保护方法可分为的主动保护和被动保护两类。
被动失超保护通过超导磁体出现失超后的阻性电压自激触发失超保护回路，一般由并联在超导磁体两端的二极管组提供相对恒定的导通电压，但是该电压需要高于外部回路励磁电压，因此电压相对较高，失超保护动作较为滞后，适用于设计裕度较高并且具有优异冷却方式运行，并且具有免维护运行要求的超导磁体。
主动失超检测一般直接监测超导磁体端电压，检测失超后出现的阻性电压，往往在失超起始阶段，即可准确判断出失超，从而发出指令，停止电源电流输出，触发失超保护回路，及时移除超导磁体中储存的能量，将失超风险降低到最低。主动失超检测一般设定失超保护电压阈值，同时满足一定的延时条件，以消除瞬时干扰信号导致失超误判断的情况。失超检测电路通过数据处理后发出指令分断主回路开关，使超导磁体进入失超放电模式。
超导磁体电源系统主回路开关的作用是在超导磁体退磁或者出现失超以后，切断电源模块与超导磁体的电连接，使超导磁体接入退磁或者失超放电回路，原则上，主回路开关能够接受指令闭合/关断主回路满足回路功能切换即可，但是如上对于失超保护的描述，特别是采用主动失超检测方式的超导磁体，需要严格控制并减小各个环节的延时，降低响应时间，以提高失超保护的及时性。
本发明提出一种采用IGBT充当主回路开关的方式，替代传统的电磁线圈机械触点的直流开关。具体的，如图1所示，一种用于大电流IGBT器件的超导磁体主回路开关装置，包括电流源模块1以及和所述电流源模块1连接的IGBT主回路模块2、电压电流检测模块3、低温容器4和失超检测仪5，其中：
所述低温容器4内部设置有超导磁体(未标示)，用以保持所述超导磁体处于极低温状态；
所述失超检测仪5与所述超导磁体桥式电接，用以对所述超导磁体上产生的失超信号进行检测；
所述IGBT主回路模块2串联于所述电流源模块1及所述低温容器4内的超导磁体之间，用以接收所述失超检测仪5探测到超导磁体失超后发出的失超触发信号进而快速分断电源供电主回路；
所述电压电流检测模块3并联在所述低温容器4内的超导磁体两端，用以检测所述超导磁体两端的运行电压电流。
继续参考图1，所述IGBT主回路模块2包括IGBT主回路开关21、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)前级开关22、退磁回路二极管组23和移能电阻24，其中：
所述IGBT主回路开关21与所述超导磁体的一端串联，用以提供大电流主回路通断控制以及在接收到所述失超检测仪5失超触发信号后分断主回路，所述超导磁体接入所述移能电阻24泄能回路。本实施例中，所述IGBT主回路开关21的导通/分断时间均小于5μs，远小于直流开关几十ms的通断时间，可快速分断主回路，在所述超导磁体失超后快速切换进入失超放电回路。
所述MOSFET前级开关22与所述IGBT主回路开关21串联，主要作用是隔离电流源模块1，用以在所述超导磁体失超后彻底隔离所述电流源模块1，防止所述电流源模块1内部回路对所述超导磁体放电回路产生未知干扰，同时保护所述电流源模块1不受所述超导磁体的失超电压冲击。
所述退磁回路二极管组23通过所述IGBT主回路开关21并联在所述低温容器4内的超导磁体两端，用以为所述超导磁体提供退磁回路并通过调整所述退磁回路二极管组23的串并联数量来满足额定最高运行电流和不同的退磁速率。本实施例中，所述退磁回路二极管组23由不同数量的快恢复二极管串联/并联而成，每个快恢复二极管通态压降约为0.85V，并联的快恢复二极管数量由二极管额定电流和超导磁体额定电流决定；串联的快恢复二极管数量由超导磁体的电感以及设计的退磁速率决定。
所述移能电阻24并联在所述低温容器4内的超导磁体两端，用以实现IGBT电流快速转换并释放储存在超导磁体内的能量，对超导磁体进行失超保护。本实施例中，所述移能电阻24采用无感绕制的微感电阻。
综上所述，本发明所述的一种用于大电流IGBT器件的超导磁体主回路开关装置，其IGBT主回路模块2在1000A超导磁体运行中得到了运用，通过了超导磁体的励磁/退磁及失超保护验证，IGBT主回路开关21切换时间小于5μs，实现了对超导磁体的快速保护。超导磁体IGBT主回路模块2在各种开环运行的超导磁体系统中具有广泛的运用，为超导磁体的安全运行提供了有利的保障。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种用于大电流IGBT器件的超导磁体主回路开关装置，其特征在于，包括电流源模块以及和所述电流源模块连接的IGBT主回路模块、电压电流检测模块、低温容器和失超检测仪，其中：
所述低温容器内部设置有超导磁体，用以保持所述超导磁体处于极低温状态；
所述失超检测仪与所述超导磁体桥式电接，用以对所述超导磁体上产生的失超信号进行检测；
所述IGBT主回路模块串联于所述电流源模块及所述低温容器内的超导磁体之间，用以接收所述失超检测仪探测到超导磁体失超后发出的失超触发信号进而快速分断电源供电主回路；
所述电压电流检测模块并联在所述低温容器内的超导磁体两端，用以检测所述超导磁体两端的运行电压电流。
2.根据权利要求1所述的一种用于大电流IGBT器件的超导磁体主回路开关装置，其特征在于，所述IGBT主回路模块包括IGBT主回路开关、MOSFET前级开关、退磁回路二极管组和移能电阻，其中：
所述IGBT主回路开关与所述超导磁体的一端串联，用以提供大电流主回路通断控制以及在接收到所述失超检测仪失超触发信号后分断主回路，所述超导磁体接入所述移能电阻泄能回路；
所述MOSFET前级开关与所述IGBT主回路开关串联，用以在所述超导磁体失超后彻底隔离所述电流源模块，防止所述电流源模块内部回路对所述超导磁体放电回路产生未知干扰，同时保护所述电流源模块不受所述超导磁体的失超电压冲击；
所述退磁回路二极管组通过所述IGBT主回路开关并联在所述低温容器内的超导磁体两端，用以为所述超导磁体提供退磁回路并通过调整所述退磁回路二极管组的串并联数量来满足额定最高运行电流和不同的退磁速率；
所述移能电阻并联在所述低温容器内的超导磁体两端，用以实现IGBT电流快速转换并释放储存在超导磁体内的能量。
3.根据权利要求2所述的一种用于大电流IGBT器件的超导磁体主回路开关装置，其特征在于，所述IGBT主回路开关的导通/分断时间均小于5μs，可快速分断主回路，在所述超导磁体失超后快速切换进入失超放电回路。
4.根据权利要求2所述的一种用于大电流IGBT器件的超导磁体主回路开关装置，其特征在于，所述移能电阻采用无感绕制的微感电阻。
5.根据权利要求2所述的一种用于大电流IGBT器件的超导磁体主回路开关装置，其特征在于，所述退磁回路二极管组由不同数量的快恢复二极管串联/并联而成，每个快恢复二极管通态压降为0.85V，并联的快恢复二极管数量由二极管额定电流和超导磁体额定电流决定；串联的快恢复二极管数量由超导磁体的电感以及设计的退磁速率决定。
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