一种高压电子开关装置及控制方法与流程

本发明涉及电力电子与高压测试，尤其涉及一种高压电子开关装置及控制方法。

背景技术：

1、在高压设备的冲击耐压试验中，通常需要产生高压脉冲或对高压回路进行快速、可靠的通断控制。随着电力系统电压等级的不断提升，试验设备与高压开关装置需要承受的电压等级已从数kv上升至数十kv甚至更高。传统的机械式高压开关虽能承受较高电压，但其动作速度慢、存在机械触点回跳、且分合闸时易产生电弧导致触点烧蚀磨损，难以满足现代高压试验对快速性、重复性和低维护成本的要求。与此同时，功率半导体器件（如igbt）因其开关速度快、无机械触点等优势，逐渐成为高压开关领域的替代方案；然而，单颗igbt器件的耐压等级通常有限（例如常见的4500v或6500v级），在20kv及以上的高压场景下，需要将多颗低压igbt进行串联使用，以共同承担系统电压。

2、在多级igbt串联的拓扑结构中，虽然理论上各级器件均分总电压，但在实际工程应用中，由于各igbt管在制造过程中存在材料、结构及工艺参数的本征离散性，且各级对应的驱动电路也难免存在元器件参数的微小差异，导致同一触发信号到达各igbt栅极的时间以及各igbt自身开通延迟时间均难以完全一致。这种动作不一致性在串联分压场景中尤为致命：率先导通的igbt管在导通瞬间需承受其余尚未导通器件的全部或绝大部分电压，而最后导通的igbt管则在承受高压的状态下强行导通，二者均极易因瞬时过压而击穿损坏。目前采用的被动均压措施仅能缓解稳态工况下的电压分配，难以有效应对开关暂态过程中的动态电压失衡问题，串联igbt的动作同步性已成为制约其高压工程应用的核心瓶颈。

技术实现思路

1、本发明提供了一种高压电子开关装置及控制方法，解决了多级串联igbt因参数离散性和驱动延迟差异导致开关动作不同步、从而引发动态电压不均的技术问题。

2、本发明第一方面提供的一种高压电子开关装置，包括单片机以及多个igbt开关模块依次串联形成的多级串联igbt开关模块；

3、每个所述igbt开关模块均包含触发隔离光耦、触发电路单元、igbt管、电压检测电路单元和检测隔离光耦；

4、所述触发隔离光耦的一端与所述单片机连接；

5、所述触发隔离光耦的另一端与所述触发电路的一端连接；

6、所述触发电路的另一端与所述igbt管的栅极连接；

7、所述电压检测电路单元的输入端与所述igbt管并联；

8、所述电压检测电路单元的输出端与所述检测隔离光耦的一端连接；

9、所述检测隔离光耦的另一端与所述单片机连接。

10、可选地，各所述igbt开关模块还包括隔离独立电源；

11、所述触发隔离光耦、所述触发电路单元、所述igbt管、所述电压检测电路单元和所述检测隔离光耦均与所述隔离独立电源连接。

12、可选地，所述触发隔离光耦包括触发隔离发射光耦和触发隔离接收光耦；

13、所述触发隔离发射光耦的输入端与所述单片机连接；

14、所述触发隔离发射光耦的输出端与所述触发隔离接收光耦的输入端连接；

15、所述触发隔离接收光耦的输出端与所述触发电路的一端连接。

16、可选地，所述检测隔离光耦包括检测隔离发射光耦和检测隔离接收光耦；

17、所述电压检测电路单元的输出端与所述检测隔离发射光耦的输入端连接；

18、所述检测隔离发射光耦的输出端与所述检测隔离接收光耦的输入端连接；

19、所述检测隔离接收光耦的输出端与所述单片机连接。

20、可选地，各所述igbt开关模块还包括避雷器；

21、所述避雷器与所述igbt管并联。

22、本发明第二方面提供的一种应用于所述的高压电子开关装置的控制方法，包括：

23、控制各igbt开关模块执行多次空载合闸测试，得到对应的实际合闸时差数据；

24、采用所述实际合闸时差数据计算各igbt开关模块对应的平均固定时延；

25、对各所述实际合闸时差数据进行离散性评估；

26、当所述离散性评估结果为合格时，采用所述平均固定时延确定各igbt开关模块对应的通道补偿量；

27、根据各所述通道补偿量，对各igbt开关模块执行带负荷合闸操作。

28、可选地，所述多次空载合闸测试具体为：

29、预先将多个igbt开关模块中的任意一个设定为基准级igbt管；

30、在空载状态下，同时对多个igbt开关模块发出触发脉冲电信号；

31、控制所述触发隔离光耦将所述触发脉冲电信号转换为触发脉冲光信号穿越隔离带后，再还原为触发脉冲电信号并输送至触发电路单元；

32、控制触发电路单元对还原后的触发脉冲电信号进行功率放大操作，驱动所述igbt管导通；

33、控制电压检测电路单元实时捕捉所述igbt管的下降沿跳电信号并输送至检测隔离光耦；

34、控制检测隔离光耦将所述下降沿跳电信号转换为光信号穿越隔离带，再还原为下降沿跳电信号；

35、对还原后的下降沿跳电信号进行边沿捕获，记录各级igbt管下降沿的实际到达时刻；

36、以所述基准级igbt管在每次合闸测试中电压下降沿的实际到达时刻作为基准时刻，将各级igbt管的所述实际到达时刻分别与所述基准时刻作差，得到单次空载合闸测试下的实际合闸时差；

37、整合所有空载合闸测试下的所述实际合闸时差，得到各igbt开关模块对应的实际合闸时差数据。

38、可选地，所述当所述离散性评估结果为合格时，采用所述平均固定时延确定各igbt开关模块对应的通道补偿量，包括：

39、当所述离散性评估结果为合格时，从所有所述平均固定时延中选取最大值作为最大平均固定时延；

40、将所述最大平均固定时延分别减去各所述平均固定时延，得到各igbt开关模块对应的通道补偿量；

41、其中，所述通道补偿量为各igbt开关模块相对于所述最大平均固定时延所对应的提前触发时间量。

42、可选地，所述当所述离散性评估结果为合格时，采用所述平均固定时延确定各igbt开关模块对应的通道补偿量，还包括：

43、当所述离散性评估结果为合格时，获取基准级igbt管的理论基准触发时刻；

44、将所述理论基准触发时刻分别减去各所述平均固定时延，得到各igbt开关模块对应的通道补偿量；

45、其中，所述通道补偿量为各igbt开关模块相对于所述理论基准触发时刻的绝对触发时刻值。

46、可选地，所述对各所述实际合闸时差数据进行离散性评估，包括：

47、计算各所述实际合闸时差数据的标准差；

48、若所有所述标准差均小于预设合格阈值，则判定离散性评估结果为合格；

49、若任一所述标准差未小于所述预设合格阈值，则判定离散性评估结果为不合格。

50、从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

51、本发明提供了一种高压电子开关装置及控制方法，采用单片机与多个igbt开关模块依次串联形成多级串联结构，每个igbt开关模块均设置有触发隔离光耦、触发电路单元、igbt管、电压检测电路单元和检测隔离光耦，其中触发隔离光耦分别连接单片机和触发电路单元，触发电路单元连接igbt管的栅极，电压检测电路单元的输入端与igbt管并联、输出端经检测隔离光耦连接至单片机。该装置在工作时，单片机发出的触发脉冲经触发隔离光耦隔离传输至触发电路单元，由触发电路单元驱动igbt管导通，与此同时，并联于igbt管两端的电压检测电路单元实时捕获该级igbt管导通瞬间电压下降沿信号，并经检测隔离光耦反馈至单片机，由此在每一级igbt开关模块中均构建了一条独立的“下发触发指令-实时反馈动作时刻”的闭环检测链路。由于各级igbt开关模块均具备独立且完整的触发隔离传输通道和电压下降沿实时反馈通道，单片机能够精准获取每一级igbt管实际导通时刻与基准时刻之间的时间偏差，从而为后续基于实际动作时差数据对各模块进行差异化触发延时补偿提供精确的硬件测量基础。基于该装置所提供的精确反馈测量能力，即便各级igbt管因制造参数离散性和驱动电路延迟差异而导致固有动作时刻不一致，单片机也能够依据反馈数据对各模块的触发脉冲发出时刻进行针对性调整，使各级igbt管的实际导通时刻趋于一致，从而有效消除多级串联igbt因动作不同步引发的动态电压不均现象，避免igbt管因承受不均电压而发生过压击穿，显著提高了高压电子开关装置在冲击耐压试验及高压通断控制中的运行可靠性与使用寿命。