RU2533317C2 - Circuit and topology for high reliability power electronics system - Google Patents

Circuit and topology for high reliability power electronics system Download PDF

Info

Publication number
RU2533317C2
RU2533317C2 RU2009142870/08A RU2009142870A RU2533317C2 RU 2533317 C2 RU2533317 C2 RU 2533317C2 RU 2009142870/08 A RU2009142870/08 A RU 2009142870/08A RU 2009142870 A RU2009142870 A RU 2009142870A RU 2533317 C2 RU2533317 C2 RU 2533317C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
power electronics
semiconductor switching
blocks
switching devices
block
Prior art date
Application number
RU2009142870/08A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009142870A (en
Inventor
Кристоф Мартин ЗИЛЕР
Роберт РОЭЗНЕР
Original Assignee
Дженерал Электрик Компани
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Дженерал Электрик Компани filed Critical Дженерал Электрик Компани
Priority to RU2009142870/08A priority Critical patent/RU2533317C2/en
Publication of RU2009142870A publication Critical patent/RU2009142870A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2533317C2 publication Critical patent/RU2533317C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Inverter Devices (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

FIELD: physics; control.
SUBSTANCE: invention relates to power electronics. Disclosed is a power electronics system comprising a set of identical semiconductor switching devices connected in series to provide high reliability switching, wherein each semiconductor switching device is configured to be activated through a corresponding switch driver unit, comprising a built-in logic unit, and a set of identical controller units, wherein each logic unit is configured to provide the corresponding control signal of the semiconductor switching device upon receiving output signals from the controller units, wherein each output signal corresponds to one switch driver unit and the corresponding logic unit and is connected to the corresponding built-in logic unit and the switch driver unit, such that the corresponding semiconductor switching device is controlled as a result of logic processing of signals of said set of controller units independent of faults in any one or more controller units, provided that at least a minimum number of controller units remains operational.
EFFECT: simple backup circuit of a power electronics system while maintaining reliability thereof.
4 cl, 5 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Данное изобретение в целом относится к силовой электронике и более конкретно к схеме и топологии системы, обеспечивающим высоконадежную силовую систему.The present invention generally relates to power electronics, and more particularly to a system circuit and topology providing a highly reliable power system.

В патентном документе FR 2524674 раскрыто устройство для обнаружения отказов. При этом детекторы, каждый из которых расположен в местоположении контроля, посылает сигнал на логический элемент.Patent Document FR 2524674 discloses a device for detecting failures. In this case, the detectors, each of which is located in the control location, sends a signal to the logic element.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯBACKGROUND OF THE INVENTION

Системы силовой электроники в мегаваттном диапазоне, как правило, состоят из большого количества силовых и управляющих элементов. Для улучшения надежности этих систем силовой электроники используют, как правило, резервирование, а не повышение устойчивости элементов. Одним из наиболее распространенных примеров топологий с резервированием является последовательное соединение n+1 или более элементов, например тиристоров. Этот способ последовательного соединения обычно ограничивается резервированием силовых полупроводниковых элементов, так как собственно система управления, и особенно интерфейс между элементами управления и силовым полупроводниковым элементом (элементами), не резервируются.Power electronics systems in the megawatt range, as a rule, consist of a large number of power and control elements. To improve the reliability of these power electronics systems, redundancy is used, as a rule, rather than an increase in the stability of elements. One of the most common examples of redundant topologies is the series connection of n + 1 or more elements, such as thyristors. This serial connection method is usually limited to the reservation of power semiconductor elements, since the control system itself, and especially the interface between the control elements and the power semiconductor element (s), are not reserved.

Вероятность отказа (отказов) нерезервированного интерфейса между системой управления и силовыми полупроводниковыми элементами несмотря на его приемлемость для стандартных промышленных прикладных задач является неприемлемой для подводных силовых преобразовательных систем. Это обусловлено тем, что требования к надежности подводных силовых преобразовательных систем, таких как подводные установки для газовой/или нефтяной промышленности, являются более высокими. Необходимые вмешательства в случае отказа подводных силовых преобразовательных систем являются более трудоемкими и дорогостоящими.The probability of failure (failures) of the non-redundant interface between the control system and power semiconductor elements despite its acceptability for standard industrial applications is unacceptable for underwater power converter systems. This is because the reliability requirements of subsea power conversion systems, such as subsea installations for the gas / or oil industry, are higher. The necessary interventions in the event of a failure of the subsea power conversion systems are more time-consuming and expensive.

Например, резервирование в подводных силовых преобразователях является обязательным требованием, поскольку использование запасных частей, обычно осуществляемое в других прикладных задачах, в данном случае является неэкономичным. В таких подводных системах запасные детали, подлежащие установке после нескольких лет хранения, требуют проведения испытаний в условиях, приближенных к условиям подводной работы.For example, redundancy in subsea power converters is a mandatory requirement, since the use of spare parts, usually carried out in other applications, in this case is uneconomical. In such underwater systems, spare parts to be installed after several years of storage require testing under conditions close to those of underwater operation.

Одним вариантом улучшения надежности системы может быть установка дополнительного силового электронного блока. Затраты, связанные с подводной силовой электроникой, обычно составляют приблизительно не более 20% от общей стоимости подводного силового преобразовательного блока. Большую часть пространства подводного силового преобразовательного блока занимают пассивные компоненты. При правильном расчете отказ этих пассивных компонентов весьма маловероятен. Поэтому целесообразной может быть установка в каждом подводном преобразовательном блоке резервного силового электронного блока и блока управления. Такой резервный блок не увеличит эксплуатационные потери и время от времени может испытываться, а также он может принимать на себя регулируемое питание нагрузки без существенного прерывания работы системы.One option to improve system reliability may be to install an additional power electronic unit. The costs associated with subsea power electronics typically amount to approximately no more than 20% of the total cost of the subsea power conversion unit. Most of the space of the underwater power transducer block is occupied by passive components. With proper calculation, the failure of these passive components is highly unlikely. Therefore, it may be appropriate to install a backup power electronic unit and a control unit in each underwater conversion unit. Such a redundant unit will not increase operational losses and can be tested from time to time, and it can also take on regulated load power without significantly interrupting the operation of the system.

В случае невозможности осуществления указанного выше решения другим вариантом может быть создание системы без определенной критической точки отказа. Как преимущественным, так и целесообразным с точки зрения вышеизложенного может быть выполнение схемы/системы для устранения любой единственной критической точки отказа, которая связана с силовой преобразовательной/силовой электронной системой и которая может использоваться практически с любыми известными топологиями силовой электроники. Кроме того, предпочтительно, если данную схему/систему можно легко ввести в существующие топологии преобразователей переменного тока в постоянный, преобразователей постоянного тока в переменный или преобразователей постоянного тока.If it is impossible to implement the above solution, another option would be to create a system without a specific critical point of failure. Both advantageous and expedient from the point of view of the foregoing, may be the implementation of a circuit / system to eliminate any single critical point of failure that is associated with a power converter / power electronic system and which can be used with almost any known power electronics topology. In addition, it is preferable if this circuit / system can be easily integrated into existing topologies of AC to DC converters, DC to AC converters or DC / DC converters.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

В данном изобретении предложена система силовой электроники согласно п.1 формулы изобретения.The present invention provides a power electronics system according to claim 1.

В кратком изложении в соответствии с одним вариантом выполнения система силовой электроники содержит:Briefly, in accordance with one embodiment, a power electronics system comprises:

набор по существу одинаковых полупроводниковых коммутационных устройств, соединенных последовательно для обеспечения высоконадежного переключения, причем каждое полупроводниковое коммутационное устройство приводится в действие соответствующим блоком драйвера ключа с встроенным в него логическим блоком голосования, иa set of substantially identical semiconductor switching devices connected in series to provide highly reliable switching, with each semiconductor switching device being driven by a corresponding key driver unit with a built-in logical voting unit, and

набор блоков контроллеров, причем каждый блок контроллеров выполнен с возможностью обеспечения полной группы выходных сигналов, причем каждый выходной сигнал связан с соответствующим встроенным логическим блоком и блоком драйвера ключа одного полупроводникового коммутационного устройства, так что управление соответствующим полупроводниковым коммутационным устройством является результатом логической обработки сигналов указанным набором блоков контроллеров.a set of controller blocks, each controller block being capable of providing a complete group of output signals, each output signal being connected to a corresponding built-in logic block and a key driver block of one semiconductor switching device, so that the control of the corresponding semiconductor switching device is the result of logical signal processing by the specified set controller blocks.

В соответствии с другим вариантом выполнения система силовой электроники содержит набор по существу одинаковых групп силовой электроники, причем управление каждой группой выполняется соответствующим блоком управления, причем каждый блок управления может также быть выполнен с возможностью управления одной или более различными группами силовой электроники в случае отказа одного или более блоков управления различными группами силовой электроники, так что каждая группа силовой электроники остается в рабочем состоянии после отказа ее соответствующего блока управления.According to another embodiment, the power electronics system comprises a set of substantially identical power electronics groups, each group being controlled by a corresponding control unit, each control unit may also be configured to control one or more different power electronics groups in the event of a failure of one or more control units for different groups of power electronics, so that each group of power electronics remains in working condition after its failure The appropriate control unit.

В соответствии с еще одним вариантом выполнения система силовой электроники содержит одну или набор по существу одинаковых групп силовых коммутационных устройств, причем управление каждой группой силовых переключающих устройств выполняется соответствующей группой блоков драйвера ключа и логических блоков, и один или набор блоков контроллеров, причем каждый блок контроллеров выполнен с возможностью обеспечения набора групп выходных сигналов, каждая из которых соответствует одной группе блоков драйвера ключа и соответствующих логических блоков, так что управление каждой группой силовых коммутационных устройств выполняется группой выходных сигналов, связанной с каждым из блоков контроллеров.According to yet another embodiment, the power electronics system comprises one or a set of substantially identical groups of power switching devices, wherein each group of power switching devices is controlled by a corresponding group of key driver blocks and logic blocks, and one or a set of controller blocks, each controller block is configured to provide a set of groups of output signals, each of which corresponds to one group of key driver blocks and corresponding logic units, so that each group of power switching devices is controlled by a group of output signals associated with each of the controller units.

В соответствии с другим вариантом выполнения система силовой электроники содержит набор подсистем силовой электроники, причем каждая подсистема управляется соответствующим блоком драйвера ключа и логическим блоком, и набор блоков контроллеров, причем каждый блок контроллеров выполнен с возможностью создания набора выходных сигналов, каждый из которых соответствует одному блоку драйвера ключа и соответствующему логическому блоку, так что управление каждой подсистемой выполняется с помощью соответствующего выходного сигнала, связанного с каждым из блоков контроллеров.In accordance with another embodiment, the power electronics system comprises a set of power electronics subsystems, each subsystem being controlled by a corresponding key driver block and a logic block, and a set of controller blocks, each controller block being configured to create a set of output signals, each of which corresponds to one block the key driver and the corresponding logical unit, so that each subsystem is controlled by the corresponding output signal, Foot controllers with each of the blocks.

В соответствии с еще одним вариантом выполнения система силовой электроники содержит набор блоков управления силовыми преобразователями, выполненных с возможностью избирательного управления набором резервных силовых преобразователей, причем каждый блок управления содержит набор выходов, выполненных с возможностью обеспечения требуемой степени резервирования управления силовыми преобразователями, так что каждый силовой преобразователь остается в рабочем состоянии после отказа по меньшей мере одного соответствующего блока управления силовым преобразователем.In accordance with yet another embodiment, the power electronics system comprises a set of power converter control units configured to selectively control a set of redundant power converters, each control unit comprising a set of outputs configured to provide the required degree of redundancy for controlling the power converters, so that each power the converter remains operational after at least one corresponding control unit fails eniya power converter.

В соответствии с еще одним вариантом выполнения система силовой электроники содержит набор блоков управления подводной силовой электроникой, выполненных с возможностью избирательного управления набором резервных подводных модулей силовой электроники, причем каждый блок управления содержит набор выходов, выполненных с возможностью обеспечения требуемой степени резервирования модулей подводной силовой электроники, так что каждый модуль подводной силовой электроники остается в рабочем состоянии после отказа по меньшей мере одного соответствующего блока управления модуля подводной силовой электроники.In accordance with yet another embodiment, the power electronics system comprises a set of subsea power electronics control units configured to selectively control a set of redundant subsea power electronics modules, each control unit comprising a set of outputs configured to provide the required degree of redundancy for underwater power electronics modules, so that each subsea power electronics module remains operational after at least one failure The appropriate control unit underwater power electronics module.

В соответствии с еще одним вариантом выполнения система силовой электроники содержит набор резервных подсистем подводной силовой электроники, выполненных с возможностью избирательного передачи энергии к нагрузке, так что подводная нагрузка продолжает принимать энергию от по меньшей мере одной подсистемы подводной силовой электроники после отказа или остановки, связанной с по меньшей мере одной из подсистем подводной силовой электроники.In accordance with yet another embodiment, the power electronics system comprises a set of backup subsystems of subsea power electronics configured to selectively transfer energy to the load, so that the subsea load continues to receive energy from at least one subsystem of subsea power electronics after a failure or stop associated with at least one of the subsystems of underwater power electronics.

В соответствии с еще одним вариантом выполнения система силовой электроники содержит набор резервных подсистем подводной силовой электроники, причем каждая подсистема содержит набор пассивных устройств и набор по существу одинаковых активных устройств, при этом система силовой электроники выполнена с возможностью избирательной передачи энергии к подводной нагрузке, так что подводная нагрузка продолжает принимать энергию от по меньшей мере одной подсистемы подводной силовой электроники после отказа одного или более по существу одинаковых активных устройств при условии, что по меньшей мере одна подсистема остается в рабочем состоянии.According to yet another embodiment, the power electronics system comprises a set of backup subsystems of underwater power electronics, each subsystem comprising a set of passive devices and a set of substantially identical active devices, wherein the power electronics system is capable of selectively transferring energy to an underwater load, so that the underwater load continues to receive energy from at least one subsystem of underwater power electronics after the failure of one or more substantially the same What are the active devices with the proviso that at least one subsystem remains operational.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Эти и другие признаки, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятны из последующего подробного описания со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых одинаковыми ссылочными номерами позиций обозначены одинаковые детали, на которыхThese and other signs, aspects and advantages of the present invention will become clearer from the following detailed description with reference to the accompanying drawings, in which the same reference numerals denote the same parts in which

фиг.1 представляет собой схему и топологию системы для системы силовой электроники в соответствии с одним вариантом выполнения данного изобретения;figure 1 is a diagram and topology of a system for a power electronics system in accordance with one embodiment of the present invention;

фиг.2 представляет собой пример реализации стандартного 2-уровневого плеча фазы без критических точек отказа;FIG. 2 is an example implementation of a standard 2-level phase arm without critical failure points; FIG.

фиг.3 представляет собой схему и топологию системы для системы силовой электроники в соответствии с еще одним вариантом выполнения данного изобретения;FIG. 3 is a diagram and system topology for a power electronics system in accordance with yet another embodiment of the present invention; FIG.

фиг.4 представляет собой один пример варианта выполнения преобразователя постоянного тока, показывающий последовательно соединенные устройства; и4 is one example of an embodiment of a DC / DC converter showing serially connected devices; and

фиг.5 представляет собой упрощенное изображение инверторной системы преобразования постоянного тока в переменный, питающей отдельные подводные нагрузки в соответствии с одним вариантом выполнения данного изобретения.5 is a simplified depiction of an inverter system for converting direct current to alternating current, supplying individual underwater loads in accordance with one embodiment of the present invention.

Несмотря на то что вышеуказанные чертежи представляют конкретные варианты выполнения, также предполагается возможность других вариантов данного изобретения, упомянутых в данном описании. Во всех случаях это описание представляет варианты выполнения данного изобретения в качестве примера, а не ограничения. Специалистами в данной области техники возможна разработка других многочисленных модификаций и вариантов выполнения, которые соответствуют объему и сущности настоящего изобретения.Although the above drawings represent specific embodiments, it is also contemplated that other embodiments of the invention mentioned in this specification are contemplated. In all cases, this description provides embodiments of the present invention as an example, and not limitation. Specialists in the art may develop numerous other modifications and embodiments that correspond to the scope and essence of the present invention.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

На фиг.1 показана схема и топология системы для системы силовой электроники без критических точек отказа, которая используется в качестве основного конструктивного блока для различных вариантов выполнения. Система 10 силовой электроники выполняет одну функцию переключения и может использоваться почти в каждой известной топологии силовой электроники. Она включает несколько (n+1) по существу одинаковых силовых коммутационных устройств 12, в том числе, например, силовые полупроводниковые элементы, соединенные последовательно для обеспечения требуемой степени резервирования, так чтобы обеспечить работу данного ключа после возникновении режима короткого замыкания одного или более коммутационных устройств 12. Силовые полупроводниковые элементы могут представлять собой в том числе, например, биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) или тиристоры с интегрированным управлением (IGCT).Figure 1 shows the diagram and topology of the system for a power electronics system without critical failure points, which is used as the main structural unit for various embodiments. The power electronics system 10 performs one switching function and can be used in almost every known power electronics topology. It includes several (n + 1) essentially identical power switching devices 12, including, for example, power semiconductor elements connected in series to provide the required degree of redundancy, so as to ensure the operation of this key after the short-circuit mode of one or more switching devices 12. Power semiconductor elements can include, for example, bipolar transistors with insulated gate (IGBT) or thyristors with integrated control (IGCT).

Система 10 силовой электроники обеспечивает требуемый уровень надежности/готовности путем увеличения упомянутых выше возможностей резервирования также для всей системы. Стандартный блок драйвера ключа содержит только один вход, который используется для управления выходным состоянием блока, а каждый из блоков 14 драйвера ключа системы 10 силовой электроники содержит соответствующий логический блок 16. Каждый логический блок 16 содержит несколько входов 18. Каждый вход 18 логического блока приводится в действие соответствующим блоком 20 управления. Каждый блок 20 управления выполнен с возможностью подачи входных сигналов в дополнительные логические блоки 16 при маловероятном случае отказа одного или более блоков управления. Каждый логический блок может реализовывать, например, логическую операцию «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ», встроенную в блок 14 драйвера коммутационного устройства 12.The power electronics system 10 provides the required level of reliability / availability by increasing the redundancy options mentioned above for the entire system. The standard key driver block contains only one input, which is used to control the output state of the block, and each of the key driver blocks 14 of the power electronics system 10 contains a corresponding logical block 16. Each logical block 16 contains several inputs 18. Each input 18 of the logical block is given in action by the corresponding control unit 20. Each control unit 20 is configured to supply input signals to additional logic units 16 in the unlikely event of a failure of one or more control units. Each logical unit can implement, for example, the logical operation “EXCLUSIVE OR”, which is built into the driver unit 14 of the switching device 12.

Несмотря на то что показано только n=3 блока 20 управления, также возможна простая реализация других вариантов выполнения, в которых используется любое требуемое количество n блоков 20 управления и соответствующих логических блоков 18, выполненных с необходимым количеством входов в зависимости от требуемого количества n блоков 20 управления.Although only n = 3 of the control unit 20 is shown, a simple implementation of other embodiments is also possible, in which any required number of n control units 20 and corresponding logical units 18 are used, made with the required number of inputs depending on the required number of n units 20 management.

Таким образом, система 10 силовой электроники расширяет резервирование также на другие участки системы 10, расположенные непосредственно за силовыми коммутационными устройствами 12. Блоки 14 драйвера ключа и логические блоки 16 выполнены с резервированием с помощью соответствующих силовых коммутационных элементов 12, при этом резервные блоки 20 управления драйвера ключа выполнены с возможностью обеспечения резервных входных сигналов для каждого логического блока 16.Thus, the power electronics system 10 extends the reservation also to other parts of the system 10 located immediately behind the power switching devices 12. The key driver blocks 14 and the logic blocks 16 are made with redundancy using the corresponding power switching elements 12, while the driver control backup units 20 the key is configured to provide backup input signals for each logical block 16.

В соответствии с одним вариантом выполнения конкретное силовое коммутационное устройство 12 включается, если любые два или более входов 18 логического блока дают команду на включение для соответствующего логического блока 16. Таким образом, схема и топология системы, показанной на фиг.1, устраняет любые критические точки отказа, включая коммутационные устройства 12 и все соответствующие блоки 20 управления, а также блоки 14 драйвера и логические блоки 16.In accordance with one embodiment, a particular power switching device 12 is turned on if any two or more inputs 18 of the logic block give an enable command for the corresponding logical block 16. Thus, the circuit and topology of the system shown in FIG. 1 eliminates any critical points failure, including switching devices 12 and all relevant control units 20, as well as driver units 14 and logical units 16.

Особенность режима короткого замыкания силового устройства 12 заключается в пассивном резервировании, так как отсутствует необходимость в каком-либо алгоритме определения короткого замыкания и/или изоляции. Любое поврежденное устройство остается в схеме в течение полного срока службы системы 10. В соответствии с одним вариантом выполнения система 10 силовой электроники представляет собой исполнение для подводного применения.A feature of the short circuit mode of the power device 12 is passive redundancy, since there is no need for any algorithm for determining the short circuit and / or isolation. Any damaged device remains in the circuit for the full life of the system 10. In accordance with one embodiment, the power electronics system 10 is an underwater application.

На фиг.2 показана схема и топология системы для системы 30 силовой электроники в соответствии с другим вариантом выполнения данного изобретения. В системе 30 силовой электроники используется несколько резервных интерфейсных контроллеров 32. Каждый интерфейсный контроллер 32 выполнен с несколькими группами 34, 36 выходов. Группа 34 выходов выполнена с возможностью управления одной группой коммутационных устройств 38, включая соответствующие логические блоки и блоки драйвера ключа. Группа 36 выходов выполнена с возможностью управления другой группой коммутационных устройств 40, включая соответствующие логические блоки и блоки драйвера ключа, как описано выше. Показанная на фиг.2 схема и топология системы, таким образом, обеспечивает требуемую степень резервирования устройств, так что система 30 силовой электроники продолжает работать независимо от отказа конкретного контроллера 32, или возникновения отказа в конкретной группе коммутационных устройств 38, 40, или отказа соединения 41.Figure 2 shows a diagram and system topology for a power electronics system 30 in accordance with another embodiment of the present invention. The power electronics system 30 uses several redundant interface controllers 32. Each interface controller 32 is configured with several groups of 34, 36 outputs. The group of 34 outputs is configured to control one group of switching devices 38, including the corresponding logical blocks and key driver blocks. The group of outputs 36 is configured to control another group of switching devices 40, including corresponding logic blocks and key driver blocks, as described above. The system diagram and topology shown in FIG. 2 thus provides the required degree of device redundancy, so that the power electronics system 30 continues to operate regardless of a failure of a particular controller 32, or a failure in a particular group of switching devices 38, 40, or connection failure 41 .

В соответствии с некоторыми вариантами выполнения система 30 силовой электроники содержит группу из последовательно соединенных устройств 38, 40 в преобразователе 42 постоянного тока для подводного использования, как показано на фиг.4, или один или группу инверторных модулей 58 преобразования постоянного тока в переменный, питающих одну или множество нагрузок 60, как показано на фиг.5.In accordance with some embodiments, the power electronics system 30 comprises a group of series-connected devices 38, 40 in a DC-DC converter 42 for underwater use, as shown in FIG. 4, or one or a group of inverter DC / AC inverter modules 58, supplying one or multiple loads 60, as shown in FIG.

На фиг.3 показана схема и топология системы для системы 50 силовой электроники в соответствии с еще одним вариантом выполнения данного изобретения. В системе 50 силовой электроники используется несколько резервных интерфейсных контроллеров 52. Каждый интерфейсный контроллер 52 выполнен с несколькими выходами 54, в которых каждый выход 54 контроллера подает входной сигнал в логический блок, как описано выше. Каждый интерфейсный контроллер выполнен с возможностью подачи всех необходимых сигналов для управления одним или несколькими двух- или трехфазными преобразователями постоянного тока в переменный. Показанная на фиг.3 схема и топология системы, таким образом, обеспечивает требуемую степень резервирования устройств, так что система 50 силовой электроники продолжает работать независимо от отказа конкретного контроллера 52 или отказа конкретной мостовой схемы 56. В соответствии с одним вариантом выполнения показанная фиг.3 схема и топология системы содержит инверторную систему, питающую одну или более подводных нагрузок.Figure 3 shows a diagram and a topology of a system for a power electronics system 50 in accordance with yet another embodiment of the present invention. The power electronics system 50 uses several redundant interface controllers 52. Each interface controller 52 is configured with several outputs 54, in which each output 54 of the controller supplies an input signal to the logic unit, as described above. Each interface controller is configured to supply all the necessary signals for controlling one or more two- or three-phase DC / AC converters. The system diagram and topology shown in FIG. 3 thus provides the required degree of device redundancy, so that the power electronics 50 continues to operate regardless of a failure of a particular controller 52 or a failure of a particular bridge circuit 56. In accordance with one embodiment, FIG. 3 The circuit and topology of the system comprises an inverter system supplying one or more underwater loads.

Таким образом, приведено описание высоконадежной системы силовой электроники, которая обеспечивает требуемую степень резервирования системы и/или устройства простым и более компактным способом, чем другие известные системы. Данная высоконадежная система силовой электроники особенно полезна для обеспечения требуемой степени надежности работы в условиях работы под водой, в которых надежность является решающим фактором, а стоимость силовой электроники фактически не имеет значения, так как она обычно составляет менее 5% от полной стоимости системы.Thus, a highly reliable power electronics system is described that provides the required degree of redundancy for the system and / or device in a simple and more compact way than other known systems. This highly reliable power electronics system is especially useful for providing the required degree of operational reliability under water conditions, in which reliability is a decisive factor, and the cost of power electronics does not actually matter, since it usually is less than 5% of the total cost of the system.

Резервирование на уровне устройств для системы высоконадежной силовой электроники может быть достигнуто простым и более компактным способом, чем в других известных решениях, так как сигналы драйверов всех последовательно соединенных устройств одинаковы. Резервирование на системном уровне в одном варианте выполнения относится только к активным элементам, поскольку возможность выхода из строя пассивных элементов менее вероятна, пассивные элементы слишком тяжелы и занимают много пространства.Redundancy at the device level for a highly reliable power electronics system can be achieved in a simple and more compact way than in other known solutions, since the driver signals of all series-connected devices are the same. System-level redundancy in one embodiment relates only to active elements, since the possibility of failure of passive elements is less likely, passive elements are too heavy and take up a lot of space.

При использовании под водой в соответствии с изложенными в данном документе принципами можно, например, обеспечить резервирование только активных элементов. Такое решение после выхода из строя и/или отключения позволяет управлять системой дистанционно с возможностью перезапуска и продолжения работы с использованием других активных устройств, но тех же пассивных устройств.When used under water in accordance with the principles set forth in this document, it is possible, for example, to ensure the reservation of only active elements. Such a solution after failure and / or shutdown allows you to control the system remotely with the ability to restart and continue using other active devices, but the same passive devices.

Хотя вышеописанные конкретные варианты выполнения обеспечивают непрерывную работу в случае выхода из строя устройства или блока управления, резервные топологии также могут быть выполнены с использованием изложенных в данном документе принципов для обеспечения непрерывной работы полной подсистемы, например силового преобразователя, после отказа или отключения подсистемы. Например, при использовании подобной топологии возможно отключение поврежденных подсистем и обеспечение работы резервной подсистемы, которая использует другие группы активных устройств, но продолжает использовать ту же группу пассивных устройств, включая в том числе конденсаторы, индуктивности, трансформаторы и им подобные. Возобновляемое использование имеющихся пассивных устройств гарантирует сохранение ограничивающих условий по минимальному размеру и весу.Although the specific embodiments described above provide continuous operation in the event of a failure of a device or control unit, redundant topologies can also be implemented using the principles set forth in this document to ensure the continuous operation of a complete subsystem, such as a power converter, after a failure or disconnection of a subsystem. For example, when using such a topology, it is possible to disable damaged subsystems and provide a backup subsystem that uses other groups of active devices, but continues to use the same group of passive devices, including capacitors, inductors, transformers, and the like. The renewable use of existing passive devices ensures that the constraining conditions are kept to a minimum size and weight.

Вышеописанные варианты выполнения особенно полезны для исключения необходимости требований, заключающихся в проведении испытаний запасных блоков. Так как запасные блоки должны проверяться в условиях, максимально приближенных к условиям работы под водой, то наличие дополнительных запчастей требует значительных усилий, независимо от того, должны быть подобные запчасти установлены на суше после возникновения аварии или они связаны с постоянной испытательной станцией, поскольку данные испытания требуют наличия характерной двигательной нагрузки на суше, присоединенной к генератору с тормозными резисторами.The above-described embodiments are especially useful for eliminating the need for requirements for testing spare blocks. Since the spare blocks should be checked under conditions as close as possible to the conditions of work under water, the availability of additional spare parts requires considerable effort, regardless of whether such spare parts should be installed on land after an accident or if they are connected to a permanent testing station, since the test data require the presence of a characteristic locomotive load on land connected to a generator with braking resistors.

Несмотря на то что в данном документе показаны и описаны только конкретные свойства данного изобретения, специалистам в данной области техники очевидны многочисленные модификации и изменения. Поэтому следует понимать, что прилагаемая формула изобретения распространяется на все подобные модификации и изменения как соответствующие фактической сущности изобретения.Although only specific features of the invention are shown and described in this document, numerous modifications and changes are apparent to those skilled in the art. Therefore, it should be understood that the appended claims apply to all such modifications and changes as correspond to the actual nature of the invention.

Спецификация элементовItem specification Система силовой электроникиPower Electronics System (10)(10) Одинаковые силовые коммутационные устройстваIdentical power switching devices (12)(12) Блок драйвера ключаKey driver block (14)(fourteen) Логические блокиLogic blocks (16)(16) Входные сигналыInput signals (18)(eighteen) Блоки управленияControl units (20)(twenty) Система силовой электроникиPower Electronics System (30)(thirty) Резервные интерфейсные контроллерыRedundant Interface Controllers (32)(32) Группа выходных сигналовOutput group (34)(34) Группа выходных сигналовOutput group (36)(36) Группа коммутационных устройствSwitching Device Group (38)(38) Группа коммутационных устройствSwitching Device Group (40)(40) СоединенияConnections (41)(41) Преобразователь постоянного токаDC converter (42)(42) Система силовой электроникиPower Electronics System (50)(fifty) Интерфейсные контроллерыInterface controllers (52)(52) Выходные сигналы контроллеровController output signals (54)(54) Мостовые схемыBridge circuits (56)(56) Инверторные модули преобразователя постоянного тока в переменный (58)Inverter Modules DC / AC Converter (58) Нагрузка (нагрузки)Load (s) (60)(60)

Claims (4)

1. Система (10) силовой электроники, содержащая
набор одинаковых полупроводниковых переключающих устройств (12), соединенных последовательно для обеспечения высоконадежного переключения, причем каждое полупроводниковое коммутационное устройство (12) выполнено с возможностью приведения в действие посредством соответствующего блока (14) драйвера ключа, содержащего встроенный в него логический блок (16), и
набор одинаковых блоков (20) контроллеров, при этом каждый логический блок (16) выполнен с возможностью обеспечения соответствующего управляющего сигнала (18) полупроводникового коммутационного устройства при получении выходных сигналов от блоков (20) контроллеров, причем каждый выходной сигнал соответствует одному блоку драйвера ключа и соответствующему логическому блоку и связан с соответствующим встроенным логическим блоком (16) и блоком (14) драйвера ключа, так что управление соответствующим полупроводниковым переключающим устройством выполняется в результате логической обработки сигналов указанного набора блоков (20) контроллеров независимо от возникновения отказа в любом одном или более блоков (20) контроллеров при условии, что по меньшей мере минимальное количество блоков (20) контроллеров остается в рабочем состоянии.
1. The power electronics system (10) comprising
a set of identical semiconductor switching devices (12) connected in series to ensure highly reliable switching, and each semiconductor switching device (12) is configured to actuate, by means of a corresponding block (14), a key driver containing a logic block built into it (16), and
a set of identical controller blocks (20), with each logical block (16) configured to provide a corresponding control signal (18) of a semiconductor switching device when receiving output signals from controller blocks (20), each output signal corresponding to one key driver block and the corresponding logical block and is connected with the corresponding built-in logical block (16) and the key driver block (14), so that the control of the corresponding semiconductor switching device performed as a result of the logical processing of the signals of the specified set of controller blocks (20) regardless of a failure in any one or more controller blocks (20), provided that at least the minimum number of controller blocks (20) remains operational.
2. Система (10) по п.1, в которой одинаковые полупроводниковые коммутационные устройства (12) указанного набора выполнены с возможностью работы в качестве высоконадежного ключа независимо от возникновения короткого замыкания в любом одном или более коммутационных устройств (12) при условии, что по меньшей мере минимальное количество коммутационных устройств остается в рабочем состоянии.2. System (10) according to claim 1, in which the same semiconductor switching devices (12) of the indicated set are configured to operate as a highly reliable key, regardless of the occurrence of a short circuit in any one or more switching devices (12), provided that at least the minimum number of switching devices remains operational. 3. Система (10) по п.1, в которой одинаковые полупроводниковые коммутационные устройства (12) указанного набора, соответствующие блоки (14) драйвера ключа и соответствующие встроенные логические блоки (16), а также набор одинаковых блоков (20) контроллеров выполнены совместно в виде системы силовой электроники для работы под водой.3. The system (10) according to claim 1, in which the same semiconductor switching devices (12) of the specified set, the corresponding blocks (14) of the key driver and the corresponding built-in logic blocks (16), as well as a set of identical blocks (20) of the controllers are made together in the form of a power electronics system for working underwater. 4. Система (10) по любому из пп.1-3, в которой одинаковые полупроводниковые коммутационные устройства (12) указанного набора встроены в подводный преобразователь (42) постоянного тока или в один или более инверторных модулей (58) преобразования постоянного тока в переменный. 4. System (10) according to any one of claims 1 to 3, in which the same semiconductor switching devices (12) of the indicated set are integrated in an underwater DC converter (42) or in one or more inverter modules (58) for converting DC to AC .
RU2009142870/08A 2009-11-23 2009-11-23 Circuit and topology for high reliability power electronics system RU2533317C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009142870/08A RU2533317C2 (en) 2009-11-23 2009-11-23 Circuit and topology for high reliability power electronics system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009142870/08A RU2533317C2 (en) 2009-11-23 2009-11-23 Circuit and topology for high reliability power electronics system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009142870A RU2009142870A (en) 2011-05-27
RU2533317C2 true RU2533317C2 (en) 2014-11-20

Family

ID=44734467

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009142870/08A RU2533317C2 (en) 2009-11-23 2009-11-23 Circuit and topology for high reliability power electronics system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2533317C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2647412C2 (en) * 2016-07-12 2018-03-15 Открытое акционерное общество "Научно-производственный комплекс "ЭЛАРА" им. Г.А. Ильенко" (ОАО "ЭЛАРА") Method of electronic unit backup and device for its implementation

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2524674A1 (en) * 1982-03-31 1983-10-07 Tokyo Shibaura Electric Co Radiation detector network monitoring several locations - has three detectors at each location connected to logic gate system to provide reliable radiation warning
EP0478289A2 (en) * 1990-09-26 1992-04-01 Honeywell Inc. Fault detection in relay drive circuits
RU2298823C2 (en) * 2005-04-28 2007-05-10 Общество с ограниченной ответственностью "Желдорконсалтинг" Majority redundancy device (variants)
EP2071694A1 (en) * 2007-12-11 2009-06-17 General Electric Company MVDC power transmission system for sub-sea loads

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2524674A1 (en) * 1982-03-31 1983-10-07 Tokyo Shibaura Electric Co Radiation detector network monitoring several locations - has three detectors at each location connected to logic gate system to provide reliable radiation warning
EP0478289A2 (en) * 1990-09-26 1992-04-01 Honeywell Inc. Fault detection in relay drive circuits
RU2298823C2 (en) * 2005-04-28 2007-05-10 Общество с ограниченной ответственностью "Желдорконсалтинг" Majority redundancy device (variants)
EP2071694A1 (en) * 2007-12-11 2009-06-17 General Electric Company MVDC power transmission system for sub-sea loads

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2647412C2 (en) * 2016-07-12 2018-03-15 Открытое акционерное общество "Научно-производственный комплекс "ЭЛАРА" им. Г.А. Ильенко" (ОАО "ЭЛАРА") Method of electronic unit backup and device for its implementation

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009142870A (en) 2011-05-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20090296433A1 (en) Circuit and topology for very high reliability power electronics system
Khan et al. A comprehensive review of fault diagnosis and tolerant control in DC-DC converters for DC microgrids
DK2634885T3 (en) DC power system with system protection features
US10284008B2 (en) Isolated parallel ups system with fault location detection
US9647491B2 (en) UPS systems and methods using variable configuration
JP2013085325A (en) Three-level power conversion circuit system
US8310100B2 (en) System and method for a redundant power solution
WO2014053156A1 (en) Converter arm and associated converter device
JP2014042396A (en) Self-excited power conversion device
US6528903B2 (en) Converter system having converter modules connected by a DC intermediate circuit, and method for operating such a system
EP3048689B1 (en) Direct current power system
CN102075068B (en) Circuit and topology for high-reliability power electronic device system
US20230421076A1 (en) Fault-tolerant dc-ac electric power conversion device
JP4898510B2 (en) Failure detection device for semiconductor power converter
RU2533317C2 (en) Circuit and topology for high reliability power electronics system
JP2014042390A (en) Self-excited power conversion device
JP2007330028A (en) Power conversion device and protection method for power conversion device
JP5537908B2 (en) Circuits and topologies for ultra-reliable power electronics systems
JP2015220495A (en) Power conversion device
EP2326007B1 (en) Circuit and topology for very high reliability power electronics system
CN115459216A (en) Power supply control protection system and control protection method
Haghnazari et al. A new fault detection method for modular multilevel converter semiconductor power switches
Zinchenko et al. Fault-tolerant soft-switching current-fed DC-DC converter
CN112039187A (en) Control method for power supply system and power supply system
WO2024042595A1 (en) Dc power transmission system and dc power transmission method

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20161124