CN112491406B - 一种具有电压调整能力的高压固态调制器 - Google Patents

一种具有电压调整能力的高压固态调制器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有电压调整能力的高压固态调制器，其技术方案要点是：包括高压电源、滤波电容、测量电阻、调整模块、开关模块，滤波电容、测量电阻均与高压电源并联连接；调整模块、开关模块均包括均压吸收网络、辅助供电驱动保护单元、光纤驱动器及供电控制保护单元、多个IGBT晶体管，IGBT晶体管与均压吸收网络并联；IGBT晶体管之间串联，IGBT晶体管的基极均与辅助供电驱动保护单元电性连接；辅助供电驱动保护单元、光纤驱动器及供电控制保护单元之间通信连接；光纤驱动器及供电控制保护单元与反馈控制系统通信连接。本发明通过控制调整模块中IGBT晶体管的开通、开关模块中IGBT晶体管的关断，将输出高压电稳定在所需的幅值，通断时间短，高压输出效率高。

Description

一种具有电压调整能力的高压固态调制器
技术领域
本发明涉及电力电子领域，更具体地说，它涉及一种具有电压调整能力的高压固态调制器。
背景技术
高压电源的交流输入和负载都存在较大的不稳定性，导致高压电源的输出电压会出现较大的波动。目前，采用交流调压的高压电源并没有快速调整输出电压的能力。电子管高压调制器可以通过控制一栅电压来获得一定的输出电压调整能力，但电子管调制器存在自身损耗大、体积大、发热厉害、电源利用效率低等缺点，已不能满足加热试验对高压脉冲的更高要求。因此，如何研究设计一种具有电压调整能力的高压固态调制器是我们目前急需解决的问题。
发明内容
为克服现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种具有电压调整能力的高压固态调制器，在保证高压调制器体积小、重量轻、高电源利用率的情况下，具有快速调整输出电压的能力，提高了输出电压的稳定性。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种具有电压调整能力的高压固态调制器，包括高压电源、滤波电容、测量电阻、调整模块、开关模块，滤波电容、测量电阻均与高压电源并联连接；调整模块、开关模块均包括均压吸收网络、辅助供电驱动保护单元、光纤驱动器及供电控制保护单元、多个IGBT晶体管，IGBT晶体管与均压吸收网络并联；IGBT晶体管的集电极与相邻IGBT晶体管的发射极连接，IGBT晶体管的基极均与辅助供电驱动保护单元电性连接，且IGBT晶体管与高压电源的高电位端连接；辅助供电驱动保护单元、光纤驱动器及供电控制保护单元之间通信连接；调整模块、开关模块中光纤驱动器及供电控制保护单元的信号输入端均与外界的反馈控制系统通信连接。
通过采用上述技术方案，反馈控制系统根据输出电压输出反馈信号，并传输至光纤驱动器及供电保护单元；光纤驱动器及供电保护单元向辅助供电驱动保护单元发出信号，从而控制调整模块中IGBT晶体管的开通以及开关模块中IGBT晶体管的关断，实现将输出高压电稳定在所需的幅值，实现向负载的宽脉冲输电，输出电压长时间的保持平顶电压，稳定性高，可靠性强，通断时间短。
本发明进一步设置为：所述IGBT晶体管的集电极、发射极之间反向并联有二极管。
通过采用上述技术方案，二极管与IGBT晶体管并联后，能够避免IGBT晶体管因突然关断产生的高压而被击穿的情况发生。
本发明进一步设置为：所述IGBT晶体管的集电极、发射极之间并联有均压电阻；调整模块中的均压电阻一一对应并联有大功率电阻。
通过采用上述技术方案，均压电阻是IGBT晶体管的静态均压，利用电阻阻值相同来实现IGBT晶体管在静态时承受电压相等，为保证在长时间工作中，电阻的工作阻值不会发生变化，均压电阻选用精密电阻。
本发明进一步设置为：所述均压吸收网络为RCD动态均压电路。
通过采用上述技术方案，动态均压主要是用于抑制对IGBT晶体管开通、关断时，由于IGBT晶体管开关时序存在差异导致的个别器件上的电压过度变化。
本发明进一步设置为：所述调整模块中IGBT晶体管的组数为20，开关模块中GBT晶体管的组数为80。
本发明进一步设置为：所述测量电阻串联设置有四个，四个测量电阻以万分之一的比例进行输出电压测量。
本发明进一步设置为：所述辅助供电驱动保护单元采用高频馈电的方式为整个驱动电路供电，高频输出电流通过高压绝缘线穿过驱动组件上的电流感应线圈。
通过采用上述技术方案，由于线圈的初、次级间存在一定的互感，线圈的次级就会感应出同频的高频电压，在经过整流、稳压后获得稳定的输出。
本发明进一步设置为：所述IGBT晶体管的驱动触发信号采用光纤隔离。
通过采用上述技术方案，选择电平变换的延时很小，可有助于保持触发信号的一致性并实现所述IGBT晶体管快速驱动，为保证各路延时相等，可采取严格措施保证各路光纤长度和经过的门电路数量相等。
本发明进一步设置为：所述调整模块、开关模块中的光纤驱动器及供电控制保护单元同时接收反馈控制系统的反馈控制信号。
通过采用上述技术方案，同时发出指令触发开关模块中的IGBT晶体管导通，在放电过程中，通过反馈信号，当电压跌落的时候控制调整模块中IGBT晶体管的导通和关断来快速调节调整模块的阻值，在一定范围内控制负载上的电压。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明通过反馈控制系统根据输出电压输出反馈信号，并传输至光纤驱动器及供电保护单元；光纤驱动器及供电保护单元向辅助供电驱动保护单元发出信号，从而控制调整模块中IGBT晶体管的开通以及开关模块中IGBT晶体管的关断，实现将输出高压电稳定在所需的幅值，实现向负载的宽脉冲输电，输出电压长时间的保持平顶电压，稳定性高，可靠性强，通断时间短，高压输出效率高。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的整体工作原理图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1、IGBT晶体管；2、二极管；3、均压电阻；4、大功率电阻；5、滤波电容；6、测量电阻；7、限流电阻。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例：一种具有电压调整能力的高压固态调制器，如图1所示，包括高压电源、滤波电容5、测量电阻6、调整模块、开关模块，滤波电容5、测量电阻6均与高压电源并联连接；调整模块、开关模块均包括均压吸收网络、辅助供电驱动保护单元、光纤驱动器及供电控制保护单元、多个IGBT晶体管1，IGBT晶体管1与均压吸收网络并联；IGBT晶体管1的集电极与相邻IGBT晶体管1的发射极连接，IGBT晶体管1的基极均与辅助供电驱动保护单元电性连接，且IGBT晶体管1与高压电源的高电位端连接；辅助供电驱动保护单元、光纤驱动器及供电控制保护单元之间通信连接；调整模块、开关模块中光纤驱动器及供电控制保护单元的信号输入端均与外界的反馈控制系统通信连接。反馈控制系统根据输出电压输出反馈信号，并传输至光纤驱动器及供电保护单元；光纤驱动器及供电保护单元向辅助供电驱动保护单元发出信号，从而控制调整模块中IGBT晶体管1的开通以及开关模块中IGBT晶体管1的关断，实现将输出高压电稳定在所需的幅值，实现向负载的宽脉冲输电，输出电压长时间的保持平顶电压，稳定性高，可靠性强，通断时间短。
IGBT晶体管1的集电极、发射极之间反向并联有二极管2。二极管2与IGBT晶体管1并联后，能够避免IGBT晶体管1因突然关断产生的高压而被击穿的情况发生。
IGBT晶体管1的集电极、发射极之间并联有均压电阻3；调整模块中的均压电阻3一一对应并联有大功率电阻4。均压电阻3是IGBT晶体管1的静态均压，利用电阻阻值相同来实现IGBT晶体管1在静态时承受电压相等，为保证在长时间工作中，电阻的工作阻值不会发生变化，均压电阻3选用精密电阻。
均压吸收网络为RCD动态均压电路。动态均压主要是用于抑制对IGBT晶体管1开通、关断时，由于IGBT晶体管1开关时序存在差异导致的个别器件上的电压过度变化。
调整模块中IGBT晶体管1的组数为20，开关模块中GBT晶体管的组数为80。测量电阻6串联设置有四个，四个测量电阻6以万分之一的比例进行输出电压测量。
辅助供电驱动保护单元采用高频馈电的方式为整个驱动电路供电，高频输出电流通过高压绝缘线穿过驱动组件上的电流感应线圈。由于线圈的初、次级间存在一定的互感，线圈的次级就会感应出同频的高频电压，在经过整流、稳压后获得稳定的输出。
IGBT晶体管1的驱动触发信号采用光纤隔离，选择电平变换的延时很小，可有助于保持触发信号的一致性并实现IGBT晶体管1快速驱动，为保证各路延时相等，可采取严格措施保证各路光纤长度和经过的门电路数量相等。
调整模块、开关模块中的光纤驱动器及供电控制保护单元同时接收反馈控制系统的反馈控制信号。同时发出指令触发开关模块中的IGBT晶体管1导通，在放电过程中，通过反馈信号，当电压跌落的时候控制调整模块中IGBT晶体管1的导通和关断来快速调节调整模块的阻值，在一定范围内控制负载上的电压。
在本实施例中，调整模块中的IGBT晶体的驱动电路与开关模块中IGBT晶体的驱动电路完全相同，都是通过同一个高频电源进行高频馈电，都采用光纤触发，只不过开关模块的IGBT晶体触发必须同步，调整模块的IGBT晶体不需要同步。
在本实施例中，调整模块中的IGBT晶体两端承受的电压等于并联的均压电阻3两端的电压，当开关模块没有导通时，由于回路中没有电流，不论调整模块的IGBT晶体有无被驱动开通，调整模块的IGBT晶体两端的电压都为零。当开关模块导通后，回路中有电流，这时如果调整模块的IGBT晶体被驱动导通，电流通过IGBT晶体，则该IGBT晶体两端的电压等于IGBT晶体导通的管压降，接近于零。如果调整模块的IGBT晶体没有被驱动导通，处于截止状态，电流就会通过旁边并联的大功率电阻4，则这时该IGBT晶体两端的电压就等于回路电流在并联大功率电阻4上的压降。
在本实施例中，动态均压电路只是起过压吸收的作用，防止负载打火时IGBT晶体两端的电压过快上升。并且为整个调制器系统的安全，还在回路中串联一个电感或限流电阻7，防止负载打火时电流过快的增长。当负载发生打火时，电感或限流电阻7上承受了主要的电压，这时如果调整部分的IGBT正处于导通状态，通过IGBT的电流就会快速增长，但只要开关部分能及时的切断电流，调整部分的IGBT就不会由于过流而损坏；如果调整部分的IGBT在打火时处于截止状态，通过均压电阻3的电流就会快速增长，IGBT两端的电压也会快速增长，但由于IGBT两端过压吸收电路的作用，IGBT在一定时间内并不会因为过压而损坏，只要开关部分能及时的切断电流，即使调整部分的IGBT处于截止状态，IGBT也是安全可靠的。
工作原理：反馈控制系统根据输出电压输出反馈信号，并传输至光纤驱动器及供电保护单元；光纤驱动器及供电保护单元向辅助供电驱动保护单元发出信号，从而控制调整模块中IGBT晶体管1的开通以及开关模块中IGBT晶体管1的关断，实现将输出高压电稳定在所需的幅值，实现向负载的宽脉冲输电，输出电压长时间的保持平顶电压，稳定性高，可靠性强，通断时间短，高压输出效率高。
以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种具有电压调整能力的高压固态调制器，其特征是，包括高压电源、滤波电容(5)、测量电阻(6)、调整模块、开关模块，滤波电容(5)、测量电阻(6)均与高压电源并联连接；调整模块、开关模块均包括均压吸收网络、辅助供电驱动保护单元、光纤驱动器及供电控制保护单元、多个IGBT晶体管(1)，IGBT晶体管(1)与均压吸收网络并联；IGBT晶体管(1)的集电极与相邻IGBT晶体管(1)的发射极连接，IGBT晶体管(1)的基极均与辅助供电驱动保护单元电性连接，且IGBT晶体管(1)与高压电源的高电位端连接；辅助供电驱动保护单元、光纤驱动器及供电控制保护单元之间通信连接；调整模块、开关模块中光纤驱动器及供电控制保护单元的信号输入端均与外界的反馈控制系统通信连接；
其中，反馈控制系统根据输出电压输出反馈信号，并传输至光纤驱动器及供电保护单元；光纤驱动器及供电保护单元向辅助供电驱动保护单元发出信号，从而控制调整模块中IGBT晶体管(1)的开通以及开关模块中IGBT晶体管(1)的关断。
2.根据权利要求1所述的一种具有电压调整能力的高压固态调制器，其特征是，所述IGBT晶体管(1)的集电极、发射极之间反向并联有二极管(2)。
3.根据权利要求1所述的一种具有电压调整能力的高压固态调制器，其特征是，所述IGBT晶体管(1)的集电极、发射极之间并联有均压电阻(3)；调整模块中的均压电阻(3)一一对应并联有大功率电阻(4)。
4.根据权利要求1所述的一种具有电压调整能力的高压固态调制器，其特征是，所述均压吸收网络为RCD动态均压电路。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种具有电压调整能力的高压固态调制器，其特征是，所述调整模块中IGBT晶体管(1)的组数为20，开关模块中GBT晶体管的组数为80。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的一种具有电压调整能力的高压固态调制器，其特征是，所述测量电阻(6)串联设置有四个，四个测量电阻(6)以万分之一的比例进行输出电压测量。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的一种具有电压调整能力的高压固态调制器，其特征是，所述辅助供电驱动保护单元采用高频馈电的方式为整个驱动电路供电，高频输出电流通过高压绝缘线穿过驱动组件上的电流感应线圈。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的一种具有电压调整能力的高压固态调制器，其特征是，所述IGBT晶体管(1)的驱动触发信号采用光纤隔离。
9.根据权利要求1-4任意一项所述的一种具有电压调整能力的高压固态调制器，其特征是，所述调整模块、开关模块中的光纤驱动器及供电控制保护单元同时接收反馈控制系统的反馈控制信号。
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