CN211266771U - 一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器，所述单驱动功率管串联式海底高压直流变换器采用高频脉冲宽度调制的移相控制全桥拓扑，并采用高频变压器隔离原边和副边，所述单驱动功率管串联式海底高压直流变换器在隔离变压器之前的逆变部分采用4个单驱动功率管串联高压模块(1)，所述单驱动功率管串联高压模块包括额外充电电路(3)、外部驱动电路(4)以及多个门极RCD驱动均压电路(2)、静态均压电阻、栅极保护齐纳二极管、栅极负压齐纳二极管、和依次串联的功率管。与现有技术相比，本实用新型具有较好的解决数千伏高压直流电到数百伏中压直流电的降压变换、拥有较高的稳定性和可靠性等优点。

Description

一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器

技术领域

本实用新型涉及海洋电力电子技术领域，尤其是涉及一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器。

背景技术

当前在海洋科学研究、灾害预警和资源开发等领域中，所需使用的海底设备的种类和数量越来越多，这些海底设备需要覆盖的探测范围越来越广，要求原位连续运行的时间越来越长。随着复杂性和智能化程度的不断提高，各类海底设备的功耗越来越大，需要持续提供给它们的电能越来越多。因此，传统的船基考察方式已难以满足当前这些领域在电能供给方面的需求，只有通过连接至陆地的海底观测网实现远距离大范围输电，才能解决大量设备在海底长期运行面临的充裕且持续的电能供给难题。

此类海底观测网通常采用跨洋通信系统所用的标准海底光电复合通信海缆进行直流输电，为覆盖更广阔的海底区域，须提高输电电压至DC2kV-10kV，以降低海缆上的电能损耗。而海底设备通常采用数十伏的低压直流供电，因此需要将数千伏的高压直流电逐级降低。其中，海底高压直流变换器作为一级降压设备，将数千伏的高压直流电变换为数百伏的中压直流电，且要求高可靠性、高稳定性、高能量密度、高变换效率和紧凑体积。现有海底高压直流变换器均基于模块化组合式结构，机电集成结构较为复杂，降低了此类装置的可靠性和稳定性。

通过多个功率管串联以提高海底直流变换器的耐压，实现的高压直流变换器具有结构简单和可靠性高等优点。但由于功率管器件没有自动动态均压的特性，自身参数和驱动参数的微小差异会引起串联功率管两端的电压不均衡，从而可能导致串联功率管局部过电压导致损坏。传统的功率管串联技术中每个功率管都需要独立的外部驱动电路，各独立的外部驱动电路之间的电源隔离依靠磁隔离或光隔离，整体电路结构复杂，难以小型化。现有的单驱动功率管串联技术存在可串联的功率管个数少、均压效果差、无法长时间维持模块导通以及需要额外的门极辅助电源等缺点。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的海底高压直流变换器可靠性和稳定性较低、单驱动功率管均压效果差、无法长时间维持模块导通以及需要额外的门极辅助电源的缺陷而提供一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器，所述单驱动功率管串联式海底高压直流变换器采用高频脉冲宽度调制的移相控制全桥拓扑，并采用高频变压器隔离原边和副边，所述单驱动功率管串联式海底高压直流变换器在隔离变压器之前的逆变部分采用4个单驱动功率管串联高压模块，所述单驱动功率管串联高压模块包括额外充电电路、外部驱动电路以及多个门极RCD驱动均压电路、静态均压电阻、栅极保护齐纳二极管、栅极负压齐纳二极管、和依次串联的功率管。

所述门极RCD驱动均压电路、静态均压电阻、栅极保护齐纳二极管、栅极负压齐纳二极管和功率管的数量相同且一一对应，且所述功率管为单管元器件，所述栅极保护齐纳二极管的阴极和所述栅极负压齐纳二极管的阴极相互连接后并联于所述功率管的门极和发射极的两端。

多个所述门极RCD驱动均压电路中最后一个门极RCD驱动均压电路并联于最后一个功率管的集电极和发射极两端，所述最后一个门极RCD驱动均压电路为距离外部驱动电路最远的门极RCD驱动均压电路，其余门极RCD驱动均压电路依次并联于第二个至最后一个功率管的门极和第一个至倒数第二个所述功率管发射极的两端，所述最后一个功率管为距离外部驱动电路最远的功率管。

所述外部驱动电路的驱动信号端和地端分别与最后一个所述功率管的门极和发射极连接。

所述门极RCD驱动均压电路包括门极动态均压电容、栅极驱动电阻和栅极加速二极管，所述栅极驱动电阻和栅极加速二极管相互并联连接后与所述门极动态均压电容串联。

所述栅极加速二极管的阴极与所述门极动态均压电容连接，所述门极动态均压电容的另一端与所述功率管的发射极连接。

所述静态均压电阻依次并联于所述门极动态均压电容两端。

所述额外充电电路包括辅助充电电源、多个高压隔离二极管和限流电阻，所述高压隔离二极管和限流电阻的数量比所述功率管的数量少一个。

所述辅助充电电源的正极与第一个所述高压隔离二极管的阳极连接，所述辅助充电电源的负极与第一个所述功率管的发射极连接。

多个所述高压隔离二极管中的前一个高压隔离二极管的阴极与后一个高压隔离二极管的阳极相连接，所述限流电阻一端与对应的所述高压隔离二极管的阴极相连，另一端与对应的所述门极RCD驱动均压电路中的栅极加速二极管的阴极连接。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型高频脉冲宽度调制的移相控制全桥拓扑，并采用高频变压器隔离原边和副边，能够较好的解决数千伏高压直流电到数百伏中压直流电的降压变换，具有较高的稳定性和可靠性且功率密度大。

2.本实用新型的单驱动功率管串联高压模块的外部驱动电路仅使用一个驱动器便能够驱动任意数量串联的功率管，同时能够较好的解决功率管串联均压问题，降低波动对功率管的影响，提高多个功率管之间的稳定性。

3.本实用新型的单驱动功率管串联高压模块能够实现门极负压驱动。

4.本实用新型额外充电电路能够为串联的功率管提供持续稳定的驱动电压，为单驱动功率管串联高压模块在低频应用提供了可能性。

5.本实用新型的单驱动功率管串联高压模块结构简单，能够较好的解决传统半导体器件串联中复杂的驱动隔离问题，实现模块小型化。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型单驱动功率管串联高压模块的结构示意图。

附图标记：

1-单驱动功率管串联高压模块；2-门极RCD驱动均压电路；3-额外充电电路；4-外部驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器，单驱动功率管串联式海底高压直流变换器采用高频脉冲宽度调制的移相控制全桥拓扑，并采用高频变压器隔离原边和副边，单驱动功率管串联式海底高压直流变换器在隔离变压器之前的逆变部分采用4个单驱动功率管串联高压模块1，如图2所示，单驱动功率管串联高压模块包括额外充电电路3、外部驱动电路4以及多个门极RCD驱动均压电路2、静态均压电阻、栅极保护齐纳二极管、栅极负压齐纳二极管、和依次串联的功率管。

门极RCD驱动均压电路2、静态均压电阻、栅极保护齐纳二极管、栅极负压齐纳二极管和功率管的数量相同且一一对应，且功率管为单管元器件，栅极保护齐纳二极管的阴极和栅极负压齐纳二极管的阴极相互连接后并联于功率管的门极和发射极的两端。

多个门极RCD驱动均压电路2中最后一个门极RCD驱动均压电路2并联于最后一个功率管的集电极和发射极两端，最后一个门极RCD驱动均压电路2为距离外部驱动电路4最远的门极RCD驱动均压电路2，其余门极RCD驱动均压电路2依次并联于第二个至最后一个功率管的门极和第一个至倒数第二个功率管发射极的两端，最后一个功率管为距离外部驱动电路4最远的功率管。

外部驱动电路4的驱动信号端和地端分别与最后一个功率管的门极和发射极连接。

门极RCD驱动均压电路2包括门极动态均压电容、栅极驱动电阻和栅极加速二极管，栅极驱动电阻和栅极加速二极管相互并联连接后与门极动态均压电容串联。

栅极加速二极管的阴极与门极动态均压电容连接，门极动态均压电容的另一端与功率管的发射极连接。

静态均压电阻依次并联于门极动态均压电容两端。

额外充电电路3包括辅助充电电源、多个高压隔离二极管和限流电阻，高压隔离二极管和限流电阻的数量比功率管的数量少一个。

辅助充电电源的正极与第一个高压隔离二极管的阳极连接，辅助充电电源的负极与第一个功率管的发射极连接。

多个高压隔离二极管中的前一个高压隔离二极管的阴极与后一个高压隔离二极管的阳极相连接，限流电阻一端与对应的高压隔离二极管的阴极相连，另一端与对应的门极RCD驱动均压电路2中的栅极加速二极管的阴极连接。

实施例一

单驱动功率管串联式海底高压直流变换器采用高频脉冲宽度调制PWM的移相控制全桥拓扑，并采用高频变压器隔离原边和副边。该直流变换器在隔离变压器之前的逆变部分采用4个单驱动功率管串联高压模块S₁-S₄。采用UC3875移相全桥控制芯片为4个单驱动功率管串联高压模块S₁-S₄提供移相移向控制信号。

单驱动功率管串联高压模块1包括额外充电电路3、外部驱动电路4以及3个依次串联的IGBT功率管T₁-T₃、3个门极RCD驱动均压电路2、3个静态均压电阻R_s,1-R_s,3、3个栅极保护齐纳二极管Z_1,1-Z_1,3、3个栅极负压齐纳二极管Z_2,1-Z_2,3。

IGBT功率管T₁-T₃所采用型号为IXBH42N170，额定耐压为1700V。

门极RCD驱动均压电路2中门极动态均压电容C₁-C₃采用贴片高压陶瓷电容，电容值为400pF；栅极驱动电阻R_g,2-R_g,4采用额定功率为5W、阻值为50Ω的高压电阻；栅极加速二极管D_g,2-D_g,4的型号为BYG10Y-E3/TR，额定耐压为1600V。

静态均压电阻R_s,1-R_s,3采用额定功率为1W、阻值为2MΩ的高压电阻。

栅极保护齐纳二极管Z_1,1-Z_1,3和栅极负压齐纳二极管Z_2,1-Z_2,3的型号为1N5352BG，额定齐纳电压为15V。

额外充电电路3中辅助充电电源V_gon采用型号为LM2586的电源管理芯片，输出电压为48V；高压隔离二极管D₁-D₂的型号为BYG10Y-E3/TR，额定耐压为1600V；限流电阻R₁-R₂采用额定功率为0.25W、阻值为10kΩ的电阻。

外部驱动电路4采用型号为TLP350的功率管驱动隔离芯片和型号为G1215S-2WR的高压隔离电源模块。

通过3kV的高压直流电源对单驱动功率管串联高压模块进行双脉冲实验，实现直流400V输入至48V输出的直流变换，经验证该电路结构下的单驱动功率管串联高压模块具有良好的开关特性和均压效果，能够实现高频开关，有利于海底高压直流变换器的小型化。

此外，需要说明的是，本说明书中描述的具体实施例，其零部件的形状、所取名称等可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本实用新型结构所做的举例说明。凡依据本实用新型构思的构造、特征及原理所做的等小变化或者简单变化，均包括于本实用新型的保护范围内。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本实用新型的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器，其特征在于，所述单驱动功率管串联式海底高压直流变换器采用高频脉冲宽度调制的移相控制全桥拓扑，并采用高频变压器隔离原边和副边，所述单驱动功率管串联式海底高压直流变换器在隔离变压器之前的逆变部分采用4个单驱动功率管串联高压模块(1)，所述单驱动功率管串联高压模块包括额外充电电路(3)、外部驱动电路(4)以及多个门极RCD驱动均压电路(2)、静态均压电阻、栅极保护齐纳二极管、栅极负压齐纳二极管、和依次串联的功率管。

2.根据权利要求1所述的一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器，其特征在于，所述门极RCD驱动均压电路(2)、静态均压电阻、栅极保护齐纳二极管、栅极负压齐纳二极管和功率管的数量相同且一一对应，且所述功率管为单管元器件，所述栅极保护齐纳二极管的阴极和所述栅极负压齐纳二极管的阴极相互连接后并联于所述功率管的门极和发射极的两端。

3.根据权利要求1所述的一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器，其特征在于，多个所述门极RCD驱动均压电路(2)中最后一个门极RCD驱动均压电路(2)并联于最后一个功率管的集电极和发射极两端，所述最后一个门极RCD驱动均压电路(2)为距离外部驱动电路(4)最远的门极RCD驱动均压电路(2)，其余门极RCD驱动均压电路(2)依次并联于第二个至最后一个功率管的门极和第一个至倒数第二个所述功率管发射极的两端，所述最后一个功率管为距离外部驱动电路(4)最远的功率管。

4.根据权利要求3所述的一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器，其特征在于，所述外部驱动电路(4)的驱动信号端和地端分别与最后一个所述功率管的门极和发射极连接。

5.根据权利要求1所述的一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器，其特征在于，所述门极RCD驱动均压电路(2)包括门极动态均压电容、栅极驱动电阻和栅极加速二极管，所述栅极驱动电阻和栅极加速二极管相互并联连接后与所述门极动态均压电容串联。

6.根据权利要求5所述的一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器，其特征在于，所述栅极加速二极管的阴极与所述门极动态均压电容连接，所述门极动态均压电容的另一端与所述功率管的发射极连接。

7.根据权利要求5所述的一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器，其特征在于，所述静态均压电阻依次并联于所述门极动态均压电容两端。

8.根据权利要求5所述的一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器，其特征在于，所述额外充电电路(3)包括辅助充电电源、多个高压隔离二极管和限流电阻，所述高压隔离二极管和限流电阻的数量比所述功率管的数量少一个。

9.根据权利要求8所述的一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器，其特征在于，所述辅助充电电源的正极与第一个所述高压隔离二极管的阳极连接，所述辅助充电电源的负极与第一个所述功率管的发射极连接。

10.根据权利要求8所述的一种单驱动功率管串联式海底高压直流变换器，其特征在于，多个所述高压隔离二极管中的前一个高压隔离二极管的阴极与后一个高压隔离二极管的阳极相连接，所述限流电阻一端与对应的所述高压隔离二极管的阴极相连，另一端与对应的所述门极RCD驱动均压电路(2)中的栅极加速二极管的阴极连接。

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