CN103595290B - 一种高压振荡波发生器用模块化电子开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压振荡波发生器用模块化电子开关，主要包括以IGBT开关串联结构为主体的圆盘式印制电路板、相应的多路输出穿心式隔离供电电源和光纤控制单元。本发明将IGBT开关单元排绕成圆盘式串联结构，实现了多个IGBT开关单元之间的电压均分和同步导通，解决了传统高压开关动作速度不够快，功率等级不够高的问题。所述多路输出隔离供电结构，在不降低功率等级和动作速度的情况下实现了多路隔离供电，提高了开关的集成度，优化了开关的结构，还可通过简单的级联，用于更高电压等级的场合。具有使用灵活、轻便，易于检修和维护的特点，特别适用于电力企业开展配电电缆绝缘状态的高压振荡波测试试验中。
Description
技术领域
本发明涉及电力设备的局部放电监测技术及其应用领域，涉及一种专门应用于电力电缆弱阻尼振荡波测试***的装置，特别涉及一种高压振荡波发生器用模块化电子开关。
背景技术
交流电力电缆的预防性试验是保证电网可靠运行的一项重要内容。如果进行传统的工频耐压试验，其变压器的体积和重量将变得非常大，难以满足现场测试需求。近年来，一种先进的阻尼交流电压测试技术因其与交流耐压试验等效性好，且体积小，操作简单，得到了国内外电力企业的密切关注。目前国内已有很多电缆运行、试验单位利用基于该技术的高压振荡波测试***对配网电缆开展了实际应用，现场发现并解剖验证了电缆中各类缺陷，取得了不错的效果。
高压振荡波测试***最核心的部分——高压开关模块传统的是使用气隙以获得足够的耐压和通流能力，但气隙具有放电分散性大，放电时机不易控制，寿命短，噪声大，存在空气污染等缺点，现在已逐渐被半导体开关所替代。但是，实际应用中还存在若干技术问题尚待解决，比如：1）传统的半导体器件如晶闸管、MOSFET等都具有各自的不足之处，如晶闸管的动作速度过慢，MOSFET的耐高压能力差，而传统的IGBT模块成本高，体积大，迫切需要综合性能更强的器件来构建开关模块；2）按照传统的半导体制造业工艺水平，很难仅使用单一的器件就满足高电压试验所需的几十甚至几百千伏的电压等级要求，所以多个半导体功率器件的串联使用是无法避免的。而串联使用多个器件需要解决各个器件之间的电压均分问题和同步触发问题；3）多个半导体功率器件之间的电压往往相差数千伏以上，所以其各自的供电模块之间要考虑高电压隔离，而传统的隔离变压器结构使得开关***体积庞大，笨重不易运输，所以需要一套更加轻便简洁，且能满足高电压隔离要求的多路输出隔离供电***；4）单一的高压开关只能适用于一种电压等级下的试验环境，所以需要考虑高压开关模块化问题，使得仅通过数个模块的级联即可实现电压等级的提升。
因此，如何设计一套模块化电子开关，使其在满足高电压、大电流要求的同时具有使用安全及便携、可拓展等的特点，实属当前电力设备研究设计领域中的一个重要课题。
发明内容
本发明提供了一种高压振荡波发生器用模块化电子开关，解决了现有的振荡波测试***用高压开关功率密度小，寿命短，动作速度慢，开关损耗大的技术困难，提升了相关领域的技术水平，优化了振荡波测试***的传统结构和布局，具有结构简单，易拓展成各种电压等级，外形轻便等特点。
本发明所采用的技术方案如下：
一种高压振荡波发生器用模块化电子开关，包括多个开关单元、为多个开关单元供电的供电单元，以及控制多个开关单元开断状态的控制单元，所述多个开关单元互相串联连接，开关单元的接地端与高压振荡波发生器的接地端相连，开关单元的高压端与高压振荡波发生器的直流高压端相连；所述每一个开关单元均包括有控制IGBT的芯片以及连接在芯片触发信号输入端的光纤接收器；所述控制单元包括供电电源、触发开关、连接在触发开关输出端的电流放大单元，以及光纤发射器组，光纤发射器组通过光纤与开关单元的光纤接收器相连，所述控制单元通过触发开关是否被触发而控制开关单元的开断。
作为本发明的优选实施例，所述供电单元采用反激式PFC电源拓扑结构实现多路IGBT的隔离供电，主要包括依次连接的耦合变压器、整流桥，以及PFC变换器，所述供电单元进一步包括有半导体开关、磁芯、整流二极管、滤波电容，以及缠绕在磁芯上的一次侧线圈和二次侧线圈组；其中，所述PFC变换器的输出端连接半导体开关的栅极G，所述整流二极管和滤波电容串联后连接在二次侧线圈的两端，一次侧线圈的两端分别与半导体开关的源极S和PFC变换器的另外一支输出端相连，所述半导体开关的漏极D接地。
作为本发明的优选实施例，所述耦合变压器为降压变压器，采用220VAC输入、36VAC输出的环形变压器；所述整流桥和PFC变换器串联后形成整流和功率因数校正单元，该整流和功率因数校正单元采用不小于15A通流能力的整流桥和功率因数校正芯片UC3845级联。
作为本发明的优选实施例，所述一次侧线圈不大于两匝，二次侧线圈组仅一匝以防止磁芯饱和；半导体开关为耐压100V以上、通流能力20A以上的低开通电阻MOSFET。
作为本发明的优选实施例，所述磁芯的相对磁导率不小于2000、饱和磁感应强度不小于0.5T、剩余磁感应强度不大于0.2T；所述整流二极管为通流能力不小于3A的快恢复二极管；滤波电容的容值不小于4700uF；开关单元拓扑结构相同，串联后辐辏形组合成圆盘印制电路板，与供电单元在圆盘中心一一相连。
作为本发明的优选实施例，所述每个开关单元进一步包括调压电路、驱动电路、IGBT半导体器件，以及均压电路；其中，驱动电路包括芯片，功率放大单元以及短路保护单元，调压电路与供电单元相连，所述调压电路的输出端与芯片的输入端相连，芯片的输出端与功率放大单元相连，；所述功率放大单元的输出端有两支，其中一支通过门极电阻连接在IGBT的g端，功率放大单元的另外一支直接连接在IGBT的e端，另外，在门极电阻和IGBT的e端之间连接有反串联的稳压管，所述短路保护单元的另外一端连接在IGBT的c端，最后，在IGBT的c端和e端之间进一步连接有均压电路。
作为本发明的优选实施例，所述调压电路调节使得驱动电路的输入电压不大于12V；所述驱动电路的开通速度小于500ns，输出峰值电流大于3A；所述IGBT半导体器件满足耐压不低于2.52.5kV，通流能力不低于50A。
作为本发明的优选实施例，所述控制单元的供电电源采用5V的开关电源，触发开关采用拨动机械开关串联防抖电路。
作为本发明的优选实施例，所述开关单元辐辏形排列组合形成圆盘形印制电路板，其中，位于首位和末尾的开关单元之间开设有扇形口，以保证二者之间充分的高电压绝缘距离。
作为本发明的优选实施例，所述开关单元之间通过耐压50kVDC的硅橡胶绝缘线串联；所述控制单元集成在控制电路板上并通过光纤与开关单元相连。
与现有技术相比，本发明高压振荡波发生器用模块化电子开关至少具有以下有益效果：本发明将多个开关单元串联连接，增大了高压开关的适用功率，耐压达到20kV，通流能力达到50A，特别是可以通过多个本发明级联的形式实现电压加倍，提高了本电子开关的适用性和可拓展性；另外，本发明未使用隔离变压器实现了开关单元和供电单元以及供电单元之间几十千伏的电压隔离，设备的结构更加合理。
附图说明
上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明一种高压振荡波发生器用模块化电子开关的组成示意图。
图2是本发明一种高压振荡波发生器用模块化电子开关的供电单元的基本结构示意图。
图3是本发明一种高压振荡波发生器用模块化电子开关的一个开关单元的电路示意图。
图4是本发明一种高压振荡波发生器用模块化电子开关的控制单元的电路示意图。
图5是本发明一种高压振荡波发生器用模块化电子开关的总体外观结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1及图5所示，在电路结构上，本发明主要由供电单元11，开关单元12、13、…111，控制单元112组成。所述供电单元11和控制单元112分别与开关单元相连。
请特别参阅图3所示，所述开关单元12～111拓扑结构相同，每个开关单元分别包括调压电路31、驱动电路32、BIMOSFET工艺的IGBT半导体器件33、均压电路34、光纤接收器35。其中，驱动电路32包括芯片、功率放大单元以及短路保护单元；调压电路与供电单元11的供电输出端相连，所述调压电路31的输出端与芯片的输入端相连，芯片的输出端与功率放大单元相连，光纤接收器35连接在芯片的触发信号输入端，短路保护单元连接在芯片的使能端；所述功率放大单元的输出端有两支，其中一支通过门极电阻连接在IGBT33的g端，功率放大单元的另外一支直接连接在IGBT33的e端，另外，在门极电阻和IGBT33的e端之间连接有反串联的稳压管，所述短路保护单元的另外一端连接在IGBT33的c端，最后，在IGBT33的c端和e端之间进一步连接有均压电路34。开关单元12～111互相串联，开关单元12的地端接大地，开关单元111的高压端接振荡波测试***的高压输出端；光纤接收器35接收触发的光信号并转化为电信号控制IGBT动作；均压电路实现每个开关单元之间的电压均分。
所述调压电路31调节使得驱动电路的输入电压不大于12V，本发明使用了线性稳压芯片7812，再通过芯片QQ04将单路+12V供电转化为+15V、-8V双路供电。驱动电路32为保证可靠驱动IGBT，应满足开通速度小于500ns，输出峰值电流大于3A，优选的，本发明使用TD350芯片外接功率放大器TIP41C进行驱动。IGBT半导体器件33要有足够的功率等级，应满足耐压不低于2.5kV，通流能力不低于50A，优选的，本发明使用BIMOSFET工艺的IXB86N300芯片，耐压3kV，通流能力86A。均压电路34使用5MΩ高压无感电阻。光纤接收器35为AVAGO公司的HFBR2522。
请特别参阅图2所示，所述供电单元11采用反激式PFC电源拓扑结构，实现十路IGBT单元的隔离供电，主要包括耦合变压器21、整流桥、PFC变换器（即功率因数校正变换器）、MOSFET半导体开关214、磁芯215、整流二极管216～225、滤波电容226～235，以及缠绕在磁芯215上的一次侧线圈23和二次侧线圈组24-213。其中，耦合变压器21的输入端为市电，耦合变压器21的输出端连接所述整流桥的输入端，所述整流桥的输出端连接PFC变换器的输入端，所述PFC变换器的输出端连接MOSFET半导体开关的栅极G，所述整流二极管216-226和滤波电容226-235串联后连接在二次侧线圈的两端，二次侧线圈为一匝，一次侧线圈为两匝，两匝一次侧线圈的两端分别与MOSFET半导体开关的源极S和PFC变换器的另外一支输出端相连，所述MOSFET半导体开关的漏极D接地。所述整流二极管和滤波电容串联后形成整个供电单元的供电输出端，当PFC变换器控制MOSFET半导体开关导通时，磁芯215的一次侧线圈开始储能，此时，通过耦合变压器21对开关单元供电；当PFC变换器控制MOSFET半导体开关关断时，磁芯215的一次侧线圈释放能量到二次侧线圈，以便对开关单元供电。
所述耦合变压器21为降压变压器，采用220VAC输入、36VAC输出。整流桥和PFC变换器串联后形成整流和功率因数校正单元22，该整流和功率因数校正单元22采用不小于15A通流能力的整流桥和功率因数校正芯片UC3845级联。一次侧线圈23不大于两匝，二次侧线圈组24～213仅一匝以防止磁芯215饱和。MOSFET半导体开关214应使用耐压100V以上、通流能力20A以上的低开通电阻MOSFET，优选的，本发明采用的MOSFET型号为IRFP260。磁芯215须满足相对磁导率不小于2000、饱和磁感应强度不小于0.5T、剩余磁感应强度不大于0.2T，优选的，本发明使用的磁芯为外径102mm，内径85mm，高度2mm的铁氧体磁芯，初始相对磁导率为2500，饱和磁感应强度为0.54T，剩余磁感应强度为0.2T。整流二极管216～225应使用通流能力不小于3A的快恢复二极管，优选的，本发明使用型号为BYV36C的二极管。滤波电容226～235容值不小于4700uF，优选的，本发明使用容值6800uF，耐压50V的铝电解电容。
所述控制单元112主要由供电电源41、触发开关42、电流放大单元43、光纤发射器组44～53组成。其中，所述光纤发射器组通过光纤分别与对应的开关单元的光纤接收器35连接。所述控制单元112通过触发开关42是否被触发而控制开关单元的关断状态。
所述供电电源41采用5V的开关电源，触发开关42采用拨动机械开关串联防抖电路，电流放大单元43采用NPN三极管FJD3076，光纤发射器组44～53采用AVAGO公司的HFBR1522。所述的光纤长度为2m。
在具体外观上，本发明主要由一块圆盘形印制电路板51，一块供电板电路板52，一块控制电路板53，光纤54～513构成。
所述圆盘形印制电路板51主要由开关单元12、13、…111辐辏形排列组合而成。在圆盘形印制电路板51上，开关单元12、13、…、111之间通过耐压50kVDC的硅橡胶绝缘线串联，连接方式为螺栓固定。同时，在圆盘形印制电路板51上还做了如下集成：
1）中心集成了磁芯215；2）开关单元12～111前端分别集成了整流二极管216～225，电容226～235，二次侧线圈组24～213，每个二次侧线圈和相应开关单元间通过螺栓相连，开关单元与控制电路板53之间通过光纤相连；3）圆盘中心穿孔，供一次侧线圈23绕过磁芯215用；4）圆盘在开关单元12和开关单元111之间开扇形口，以保证二者之间充分的高电压绝缘距离。
所述供电单元11通过绕于磁芯215上的一次侧线圈23和圆盘形印制电路板51耦合，为其提供能量。
所述供电电路板52集成了供电单元11中除圆盘上已集成器件外的所有元素。
所述控制电路板53集成了控制单元112中的所有元素。
本发明是作为高压振荡波发生器的高压开关部分，在振荡波发生器施加高电压之后通过本发明提供的模块化电子开关的快速导通产生弱阻尼LC谐振振荡波。具体实施方式分为一个模块化电子开关产生20kV等级振荡波和拓展为两个模块化电子开关级联产生40kV等级振荡波两种。下面对两种具体实施方式分别加以说明：
1）单一模块化电子开关产生20kV等级振荡波。开关单元12的低压端与高压振荡波发生器的低压端相连，开关单元111的高压端与高压振荡波发生器的直流高压端相连。具体的过程是，供电单元11通电后，在高压振荡波发生器线性加压阶段，控制单元112控制开关单元12～111呈关断状态；加压完成后，控制单元112的触发开关导通，控制开关单元12～111同时导通并维持于导通状态，导通速度为500ns。高压开关导通后，试品C和电感L及电感L的内阻R形成LCR阻尼谐振回路，在试品C上产生最高20kV的弱阻尼LC串联谐振振荡波。
2）两个模块化电子开关级联产生40kV等级振荡波。将本发明中的两个圆盘形印制电路板单元51叠在一起后串联使用，一次侧线圈23从两圆盘圆心穿过，控制电路板53中再拓展出10路光纤控制信号接入另一个圆盘形印制电路板即可。具体接入高压振荡波发生器时，将上方圆盘的开关单元111的高压端接在高压振荡波发生器的高压端，将下方圆盘的开关单元12的低压端接入高压振荡波发生器的低压端，按照1）中同样的实施方式，即可产生40kV等级的振荡波。
采用以上的设计后，本发明至少具有如下优点：
1、本发明使用新型的BIMOSFET工艺的IGBT芯片取代了传统的IGBT模块，在耐受电压等级不变的情况下缩小了器件体积，提高了开关的动作速度，降低了成本；
2、本发明对串联开关单元进行了电压均分，从而使得各个开关单元的电压分布更加均匀；使用相同长度的光纤控制模块化电子开关的动作，实现了各个开关单元之间的同步触发，避免了电子开关在动作过程中因开关速度不一产生故障，提高了设备的可靠性；同时，光纤触发方式实现了控制模块的高电压隔离，使得操作者人身安全得到更好的保障；
3、本发明采用了一种新型的供电方式，提高了供电功率，使得更多级的开关单元的串联得以实现，增大了高压开关的适用功率等级，最终的耐压达到20kV，通流能力达到50A；特别是可以通过多个本发明级联的形式实现电压加倍，提高了本电子开关的适用性和可拓展性；
4、本发明未使用隔离变压器就实现了开关单元与供电单元之间、供电单元互相之间几十千伏的电压隔离，设备的结构更加合理，大大缩减了模块化电子开关的体积和重量，便于运输和携带。
5、本发明将IGBT开关单元排绕成圆盘式串联结构，实现了多个IGBT开关单元之间的电压均分和同步导通，解决了传统高压开关动作速度不够快，功率等级不够高的问题。所述多路输出隔离供电结构，在不降低功率等级和动作速度的情况下实现了多路隔离供电，提高了开关的集成度，优化了开关的结构，还可通过简单的级联，用于更高电压等级的场合。具有使用灵活、轻便，易于检修和维护的特点，特别适用于电力企业开展配电电缆绝缘状态的高压振荡波测试试验中。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种高压振荡波发生器用模块化电子开关，其特征在于：包括多个开关单元(12-111)、为多个开关单元(12-111)供电的供电单元(11)，以及控制多个开关单元(12-111)开断状态的控制单元(112)，所述多个开关单元互相串联连接，开关单元的接地端与高压振荡波发生器的接地端相连，开关单元的高压端与高压振荡波发生器的直流高压端相连；所述每一个开关单元均包括有控制IGBT的芯片以及连接在芯片触发信号输入端的光纤接收器(35)；所述控制单元包括供电电源(41)、触发开关(42)、连接在触发开关输出端的电流放大单元(43)，以及光纤发射器组(44-53)，光纤发射器组通过光纤与开关单元的光纤接收器相连，所述控制单元(112)通过触发开关(42)是否被触发而控制开关单元的开断；所述供电单元(11)采用反激式PFC电源拓扑结构实现多路IGBT的隔离供电，主要包括依次连接的耦合变压器(21)、整流桥，以及PFC变换器，所述供电单元(11)进一步包括有半导体开关(214)、磁芯(215)、整流二极管(216～225)、滤波电容(226～235)，以及缠绕在磁芯(215)上的一次侧线圈(23)和二次侧线圈组(24-213)；其中，所述PFC变换器的输出端连接半导体开关的栅极G，所述整流二极管(216-225)和滤波电容(226-235)串联后连接在二次侧线圈的两端，一次侧线圈的两端分别与半导体开关的漏极D和PFC变换器的另外一支输出端相连，所述半导体开关的源极S接地。
2.根据权利要求1所述的一种高压振荡波发生器用模块化电子开关，其特征在于：所述变压器(21)为降压变压器，采用220VAC输入、36VAC输出的环形变压器；所述整流桥和PFC变换器串联后形成整流和功率因数校正单元(22)，该整流和功率因数校正单元(22)采用不小于15A通流能力的整流桥和功率因数校正芯片UC3845级联。
3.根据权利要求1所述的一种高压振荡波发生器用模块化电子开关，其特征在于：所述一次侧线圈(23)不大于两匝，二次侧线圈组(24～213)仅一匝以防止磁芯(215)饱和；半导体开关(214)为耐压100V以上、通流能力20A以上的低开通电阻MOSFET。
4.根据权利要求1所述的一种高压振荡波发生器用模块化电子开关，其特征在于：所述磁芯(215)的相对磁导率不小于2000、饱和磁感应强度不小于0.5T、剩余磁感应强度不大于0.2T；所述整流二极管(216～225)为通流能力不小于3A的快恢复二极管；滤波电容(226～235)的容值不小于4700uF；开关单元(12～111)拓扑结构相同，串联后辐辏形组合成圆盘印制电路板，与供电单元(11)在圆盘中心一一相连。
5.根据权利要求1所述的一种高压振荡波发生器用模块化电子开关，其特征在于：所述每个开关单元进一步包括调压电路(31)、驱动电路(32)、IGBT半导体器件(33)，以及均压电路(34)；其中，驱动电路(32)包括芯片，功率放大单元以及短路保护单元，调压电路与供电单元(11)相连，所述调压电路(31)的输出端与芯片的输入端相连，芯片的输出端与功率放大单元相连；所述功率放大单元的输出端有两支，其中一支通过门极电阻连接在IGBT(33)的g端，功率放大单元的另外一支直接连接在IGBT(33)的e端，另外，在门极电阻和IGBT(33)的e端之间连接有反串联的稳压管，所述短路保护单元的另外一端连接在IGBT(33)的c端，最后，在IGBT(33)的c端和e端之间进一步连接有均压电路(34)。
6.根据权利要求5所述的一种高压振荡波发生器用模块化电子开关，其特征在于：所述调压电路(31)调节使得驱动电路的输入电压不大于12V；所述驱动电路的开通速度小于500ns，输出峰值电流大于3A；所述IGBT半导体器件满足耐压不低于2.5kV，通流能力不低于50A。
7.根据权利要求1所述的一种高压振荡波发生器用模块化电子开关，其特征在于：所述控制单元的供电电源(41)采用5V的开关电源，触发开关(42)采用拨动机械开关串联防抖电路。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的一种高压振荡波发生器用模块化电子开关，其特征在于：所述开关单元(12-111)辐辏形排列组合形成圆盘形印制电路板(51)，其中，位于首位和末尾的开关单元之间开设有扇形口，以保证二者之间充分的高电压绝缘距离。
9.根据权利要求8所述的一种高压振荡波发生器用模块化电子开关，其特征在于：所述开关单元之间通过耐压50kVDC的硅橡胶绝缘线串联；所述控制单元集成在控制电路板上并通过光纤与开关单元相连。
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