一种供电触发一体化的串联高压开关模块的制作方法

本实用新型涉及电力电子开关，尤其涉及一种供电触发一体化的串联高压开关模块。

背景技术：

电力电子技术随着功率半导体器件性能的提高以及制造成本的下降在民用及军事等诸多领域得到了广泛应用。目前IGBT、MOSFET等全控功率器件的最高耐压及通流能力水平达到了10kV、200A。这种半导体器件完全能够满足普通的工业应用需求。然而，在涉及大电流、高电压、高功率的高新技术领域，这些功率器件的单体耐压及通流能力已经不能满足相应的需求。比如，在电力工业，大功率高压电力电子变压器通常需要电压30kV电流2000A以上的输出；在高端测试仪器和设备领域，先进的医用X射线发生器上需要产生数百千伏(kV)高稳定的高压，用于电力电缆耐压及局部放电诊断测试的高压超低频及振荡波发生器需要输出数百千伏(kV)的0.1Hz正弦波、0.1Hz余弦方波、30-300Hz的衰减振荡波；在高功率脉冲领域，需要输出功率达数百兆瓦(MW)的快速高电压大电流。

鉴于单体器件性能水平有限，通过多个IGBT、MOSFET器件的串并联来实现高压大电流产生。在串联使用中，需要解决为处于数百千伏(kV)电位的单个IGBT触发及控制电路的供电以及触发信号的传递等问题。当前，大多采用高绝缘隔离变压器、少数直接采用独立电池来为控制电路供电，采用光纤来传递触发信号。然而，高绝缘隔离变压器绝缘要求高，通常体积大、重量大，制造成本也高，而光纤传递触发信号的采用涉及光电、电光转换等外围电路，也增加了系统的复杂性和制造成本以及运行维护的难度。

因此，设计和制造高电压大电流的电子开关时，高效、可靠、具有模块化可拓展等特点的隔离供电及触发方法实属当前高端电力电子技术研究、设计及应用领域中的一个重要课题。

技术实现要素：

发明目的：针对以上问题，本实用新型提出一种供电触发一体化的串联高压开关模块，将多个IGBT模块上的磁芯以多绕组方式级联，同时实现多个IGBT开关单元的供电及同步触发功能的一体化，解决高压IGBT串联时高压部分与其附属供电及触发电路自然隔离的难题。

技术方案：为实现上述设计目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种供电触发一体化的串联高压开关模块，包括若干串联的开关单元和幅值可调的高频方波发生电路，所述开关单元包括IGBT及其附属电路、磁芯和逻辑选择电路；所述磁芯上绕制3组绕组，包括为本级电路供电的模块输入绕组、为上级电路供电的上级输出绕组和从下级电路取电的下级输入绕组；模块输入绕组接入IGBT及其附属电路和逻辑选择电路，上级输出绕组和下级输入绕组分别作为输入和输出与相邻模块的磁芯的绕组以手拉手方式连接；所述高频方波发生电路为第一级模块的下级输入绕组提供幅值可调的高频方波；通过磁芯的耦合传输到每个开关单元；当高频方波发生电路输出重复低幅值方波时，逻辑选择电路判断为供能信号，IGBT关断，每级模块以供电模式工作；当高频方波发生电路输出单次高幅值方波时，逻辑选择电路判断为触发信号，IGBT导通，每级模块以触发模式工作。

进一步地，IGBT及其附属电路包括整流二极管、储能电容、双电平DC/DC模块、双电平IGBT驱动芯片和IGBT；IGBT及其附属电路接收高频方波，经整流二极管整流后对储能电容供电，储能电容接双电平DC/DC模块，可同时输出两个等级的电压，双电平DC/DC模块接双电平IGBT驱动芯片，用于控制IGBT的导通与关断。

进一步地，逻辑选择电路包括迟滞比较器和单稳态触发器；逻辑选择电路接收高频方波，通过迟滞比较器区分供能信号和触发信号，并通过单稳态触发器发出开通或关断IGBT的驱动信号。

进一步地，高频方波发生电路包括供电电源、稳压模块、第一DC/DC模块、第二DC/DC模块、第一半导体开关模块、第二半导体开关模块和控制模块；电源输入后经过两个DC/DC模块变压为两个等级，分别用于供能和触发；第一半导体开关模块和第二半导体开关模块分别连接第一DC/DC模块和第二DC/DC模块，将电压变为方波；控制模块用于选择工作输出的半导体开关模块。

进一步地，所述上级输出绕组将能量和信号从本级的磁芯中传递到上级的磁芯中，和上级磁芯的下级输入绕组为同一绕组，最上层的磁芯不需要上级输出绕组；所述下级输入绕组将能量和信号从下级的磁芯中传递到本级的磁芯中，最下层的下级输入绕组连接高频方波发生电路的输出。

进一步地，所述磁芯采用具有绝缘特性的铁氧体材料，具有高饱和磁感应强度。

进一步地，所述开关单元设计为一PCB印制电路板，所述高频方波发生电路设计为一可控逆变电路板。PCB印制电路板的适当位置处打孔以绝缘杆穿过，用于互相连接；不同电路板的IGBT之间通过螺栓和导线相连；电路板一侧设有圆形孔，用于放置磁芯。

有益效果：本实用新型采用的磁芯与绕组的供电结构，隔离处于高压的IGBT模块与处于低压的高频发生电路，虽然每级模块的耐压为数千伏，但根据需要，整体耐压可以轻易达到几十乃至上百千伏。这种方法可以有效避免大体积、大重量、厚绝缘隔离变压器的使用，单个模块的结构更加合理、紧凑，提升模块的可拓展性。

本实用新型采用的磁芯与绕组的供电结构，触发信号与每个IGBT的供电电路共享一个绕组。这种方法避免电触发方式所需的额外触发绕组或者光触发所需的光纤及相关光电、电光电路的使用，单个模块的结构更加合理、紧凑，提升模块的可拓展性。

本实用新型采用的幅值可调的方波发生电路，通两个DC/DC模块获得不同电平，辅以简单的控制模块给出IGBT触发信号。这种方法实现触发信号与每个IGBT的供电电路共享一个方波发生电路，具有简化模块的结构、降低制作成本、提高工作可靠性的效果。

附图说明

图1是供电触发一体化的串联高压开关模块的组成示意图；

图2是供电触发一体化的串联高压开关模块的总体外观结构示意图；

图3是IGBT及其附属电路以及逻辑选择电路的示意图；

图4是高频方波发生电路的示意图；

图5是磁芯及绕组的基本结构示意图；

图6是工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。

如图1和图2所示，本实用新型所述的供电触发一体化的串联高压开关模块，包括若干串联的开关单元和幅值可调的高频方波发生电路，开关单元包括IGBT及其附属电路12、磁芯13和逻辑选择电路17；磁芯13上绕制3组绕组，包括为本级电路供电的模块输入绕组14、为上级电路供电的上级输出绕组15和从下级电路取电的下级输入绕组16；模块输入绕组14接入IGBT及其附属电路12和逻辑选择电路17，上级输出绕组15和下级输入绕组16分别作为输入和输出与相邻模块的磁芯的绕组以手拉手方式连接。

高频方波发生电路为第一级模块的下级输入绕组提供幅值可调的高频方波；通过磁芯13的耦合传输到每个开关单元；如图6所示，当高频方波发生电路输出重复低幅值方波时，开关单元中的逻辑选择电路17接收到重复低幅值方波，判断为供能信号，发出关断IGBT的驱动信号，IGBT关断，每级模块以供电模式工作；当高频方波发生电路输出单次高幅值方波时，开关单元中的逻辑选择电路17接收到单次高幅值方波，判断为触发信号，发出开通IGBT的驱动信号，IGBT导通，每级模块以触发模式工作。

如图3所示，IGBT及其附属电路12包括整流二极管121、储能电容122、双电平DC/DC模块123、双电平IGBT驱动芯片124和IGBT125。模块输入绕组14从磁芯13中得到高频方波信号，接入IGBT及其附属电路12，IGBT及其附属电路12接收高频方波，经整流二极管121整流后对储能电容122供电，储能电容122接双电平DC/DC模块123，双电平DC/DC模块采用金升阳公司的QA04，可同时输出+15V和-8V的电压，双电平DC/DC模块后接双电平IGBT驱动芯片124，双电平IGBT驱动芯片采用ST公司生产的TD350E，该驱动芯片可提供IGBT125的G极和E极间施加的+15V和-8V电压，分别用于控制其导通与关断。本发明采用的IGBT驱动芯片TD350E自带米勒钳功能，可防止由于米勒电容引起的IGBT关断过程中的误开通。

逻辑选择电路17包括迟滞比较器171和单稳态触发器172；逻辑选择电路17接收高频方波，通过迟滞比较器171区分供能信号和触发信号，并通过单稳态触发器172发出开通或关断IGBT的驱动信号。当从模块输入绕组采集的电信号为高幅值单次脉冲时，输出开通IGBT的信号，当从模块输入绕组采集的电信号为低幅值多次脉冲时，输出关断IGBT的信号。

如图4所示，高频方波发生电路包括供电电源、稳压模块211、第一DC/DC模块212、第二DC/DC模块213、第一半导体开关模块215、第二半导体开关模块216和控制模块214。供电电源采用输出24VDC、功率100W的开关电源，电源输入后经过两个DC/DC模块变压为48V和12V两个等级，分别用于供能和触发；第一半导体开关模块215和第二半导体开关模块216分别连接第一DC/DC模块212和第二DC/DC模块213，将电压变为方波；控制模块214用于决定哪一套半导体开关模块工作，进而对系统的工作模式进行选择。

如图5所示，磁芯13为锰锌铁氧体磁芯，相对磁导率为7000，每个磁芯通过上级输出绕组16从上一级磁芯取能，并通过下级输入绕组15将能量和控制信号传输给下一级磁芯，上级输出绕组15将能量和信号从本级的磁芯中传递到上级的磁芯中，和上级磁芯的下级输入绕组为同一绕组，最上层的磁芯不需要上级输出绕组；下级输入绕组16将能量和信号从下级的磁芯中传递到本级的磁芯中，最下层的下级输入绕组连接高频方波发生电路的输出。

模块输入绕组14将能量和控制信号传输给每一级的IGBT电路和逻辑选择电路。由于每一级绕组只和下一级与上一级电路存在电磁耦合关系，因此该设计方法比较容易电压隔离。绕组14、15、16均采用耐压50kVDC的硅胶绝缘线，磁芯13外缠绕3圈绝缘胶带，磁芯13通过泡沫胶连接在PCB电路板上。

如图1所示，开关单元设计为一PCB印制电路板11，高频方波发生电路设计为一可控逆变电路板21。PCB印制电路板11的四个角有四个孔，以绝缘杆穿过，用于互相连接；不同电路板的IGBT之间通过螺栓和导线相连；实现多个模块的串联。电路板一侧设有圆形孔，用于放置磁芯13。本实用新型可用于基于半导体开关的功率脉冲技术、电力设备检测技术、电力系统换流技术等方面。下面对本实用新型用于电力电缆振荡波测试技术进行详细说明。

由7个PCB印刷电路板串联，每个电路板上集成一个自带反并联二极管耐压3.6kV的IGBT及其附属电路和逻辑选择电路，整个串联开关共耐压25.2kV，开关的高压端与振荡波发生电路中的直流高压输出端相连，开关低压端与电缆屏蔽层相连且同时接地。振荡波生成的具体过程是，可控逆变电路板21通电后，进入供电模式，IGBT处于关断状态，高压直流源对电缆进行充电，当充到指定电压等级后，高压直流源停止运行，控制模块给出开通信号，可控逆变电路进入触发工作模式输出单次高幅值方波，IGBT导通，导通时间不超过800ns。高压开关开通后，电缆自身呈容性，其和电抗及电抗的内阻形成RLC振荡，以此可在试品电缆上施加振荡波波形。

本实用新型提供的IGBT串联高压开关的隔离供电与触发一体化模块，不仅对现有IGBT、MOSFET功率器件在串联使用时存在的高压供电隔离以及触发控制电路隔离方面问题提出了效果更优的解决方法，而且还创新地实现了供电与触发的一体化；相关技术的实施极大简化了模块的结构，提高了高压开关装置的模块化水平与扩展能力。