[发明专利]一种微秒级电力电子开关装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种开关装置，具体涉及可快速响应输入，将负载从电源端投入或切除，并在检测到短路、过流或过压发生时将负载快速切除的一种微秒级电力电子开关装置。

背景技术

在大功率电力电子开关装置的研制过程中，常常需要用到半控器件，如可控硅整流器（SCR），或全控器件，如电力场效应晶体管（MOSFET）、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）等。在短路、过流或过压发生时，这些器件通常在数十微秒至数毫秒内损坏，熔断器甚至快速熔断器也无法在这么短暂的时间内完成动作，从而导致炸机事故。在研制过程中，很容易出现因各种失误而炸机的情况，炸机事故的发生不但会导致这些功率器件的损坏，还常常损坏电路板，造成的进线开关跳闸则会引起数据的丢失，影响他人的正常工作。更为严重的，可能引起火灾或其他人身财产伤害。事后的维修工作需要花费大量时间，使得整个研制进度不得不推迟。

因而需要一种在发生短路、过流或过压等状况时能够在数微秒内切断电源的开关，这种开关显然不能使用机械开关，因为机械开关的动作速度通常是几毫秒至几百毫秒数量级，远远达不到微秒级切断的要求。也不能使用晶闸管作为开关，因为晶闸管不具有受控关断的能力。这种开关应当以全控型开关器件为核心，加入短路保护、过流保护及过压保护功能，由检测和处理电路判断接通和切断时刻，同时增加各种保护措施，防止相关器件的损坏。

发明内容

本发明的目的在于提出一种收到指令后能够在数微秒内接通或切断电路并带有短路保护、过流保护及过压保护功能的电力电子开关装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种微秒级电力电子开关装置，包括绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1、反并联二极管2、缓冲网络3、过压、退饱和检测电路6、驱动控制电路7、驱动电路8以及电流传感器11，装置主电路设有缓冲网络3，装置有四个桥臂，每个桥臂拥有一个绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1和一个反并联二极管2，驱动电路8由驱动控制电路7调控，绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1由驱动电路8控制，绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1设有过压、退饱和检测电路6，配有电流传感器11，且电流传感器11与电源端相连接。

附图说明

图1是本发明的主电路图。

图2是本发明短路保护和过压保护电路图。

 图3是本发明过流保护电路图。

其中：1、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）；2、反并联二极管；3、缓冲网络；4、微秒级电力电子开关正极；5、微秒级电力电子开关负极；6、过压、退饱和检测电路；7、驱动控制电路；8、驱动电路；9、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）集电极功率引脚；10、绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）发射极功率引脚；11、电流传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明主电路共有四个桥臂，每个桥臂由一个绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1和一个反并联二极管2组成。绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1具有驱动功率小、开关速度快、通态压降小和载流能力强等优点。反并联二极管2可使绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1双向导通，同时还可以保护绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1，防止其被反向高压击穿。缓冲网络3由电容和电感串联而成，用于限制开关关断时的电压上升率，保护绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1和反并联二极管2。主电路的两个极构成微秒级电力电子开关的两个极，分别为微秒级电力电子开关正极4和微秒级电力电子开关负极5。当绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1获得正向驱动导通后，微秒级电力电子开关即接通负载电源；当绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1获得负向驱动关断后，微秒级电力电子开关即切断负载电源。电力电子器件往往需要由信息电子电路来控制，由于绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1所处理的功率较大，因此普通的信息电子电路信号一般不能直接控制绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1的导通或关断，需要一定的中间电路对这些信号进行适当的放大，故配置驱动电路8。由信息电子电路组成的驱动控制电路7按照系统的要求形成控制信号，通过驱动电路8去控制主电路中绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1的导通或者关断来完成整个系统的功能。由于主电路中往往有电压和电流的过冲，绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1一般比较昂贵，但承受过电压和过电流的能力有限，因此在主电路中附加保护电路以保护绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1的正常运行是十分必要的。短路保护利用的是绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1的饱和特性，当短路电流小于额定电流时，绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1饱和导通，当短路电流大于额定电流时，绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1退出饱和区而工作于放大区，导通压降明显增大。过压、退饱和检测电路6利用此特性检测是否发生短路。过压保护则直接利用过压、退饱和检测电路6检测绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1的压降，当接近其额定电压时，则使绝缘栅极双极型晶体管（IGBT）1工作于放大区，使器件压降不再上升而达到过压保护的目的。通过电流传感器11采集流经微秒级电力电子开关的电源电流，将此电流平方后作移动积分，判断积分值是否超出设定，若没有超出设定则保持开关导通，否则立即发出切除指令以实现过流保护目标。