CN101478225B - 一种高压电力电子器件串联阀触发信号的通信方法 - Google Patents

Abstract

一种触发脉冲分配单元与高压串联应用场合下的电力电子器件绝缘栅双极型功率管IGBT门极驱动单元之间的触发信号通信方法，该方法以光纤作为通信介质，保证了通信的可靠性，并通过一定的调制方法使各种触发信号只需一根光纤就可完成传输，从而提高了通信效率，降低了通信线路损耗，并保证了设备之间最小的线路连接数，降低了光纤消耗的成本。

Description

一种高压电力电子器件串联阀触发信号的通信方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，特别是涉及一种高压电力电子器件绝缘栅双极型功率管IGBT串联阀触发信号的通信方法。

背景技术

由可关断电力电子器件绝缘栅双极型功率管IGBT构成的换流阀是基于电压源换流器的柔性直流输电技术的关键设备。由于单只电力电子器件IGBT器件所能承受的电压有限，很难满足高压直流输电应用的要求。为了提高柔性直流输电换流阀的电压等级，采取了将多只电力电子器件IGBT器件串联的方式，这就对开关器件的触发、保护和控制提出了更高的要求。

电力电子器件IGBT的串联结构要求阀中所有电力电子器件IGBT的开通和关断应严格同步，否则延迟开通或提前关断的器件上将会承受过电压，造成器件和阀体的损坏。为实现电力电子器件IGBT的同步开通、关断，必须在阀控制器和电力电子器件IGBT门极驱动单元之间增加一个阀触发脉冲分配环节，将阀控制器产生的触发控制信号同步分配给阀中的各个开关器件。另外，电力电子器件IGBT门极驱动单元直接连接并安装在开关器件上，处于高压侧，而触发脉冲分配单元则安装在阀基础上，处于地电位侧，两者之间信息传递的可靠性是应考虑的首要问题。

通常的电力电子器件IGBT驱动方式都是将PWM(脉冲宽度调制)触发信号经过必要的整形放大处理后直接连接到电力电子器件IGBT的门极。PWM信号的特点本身决定了，它只包含开通和关断两种触发控制信息，且表现为持续的高低电平交替变换。这就决定了，在这种PWM通信方式中，线路是以一个较高的开销来传输非常低的信息量，造成通信效率低和线路损耗大。在高压电力电子器件IGBT换流阀中，除了需要传输正常的PWM开通和关断信号外，还需要传输阀试验信号、故障闭锁信号等其他触发控制信息，通常的PWM通信方式所能提供的信息容量就很难满足要求了。这时就要考虑如何提高传输的信息量，一种思路是增加通信线路数，将各种待传信号按照并行的方式进行传输。但是在柔性直流换流站中，每个换流阀对应一个触发脉冲分配单元，而每一个换流阀包含的电力电子器件IGBT数量则较多(如300kV换流器中换流阀通常包括300只电力电子器件IGBT的串联)，且每只电力电子器件IGBT对应有一个门极驱动单元。脉冲分配单元与阀中每一个门极驱动单元之间都要建立信息传输通道，单纯依靠增加线路数量来提高通信信息容量则会导致设备间线路连接数量和接口电路规模的庞大以及线路成本上升等问题。另一种思路是将各种待传信息按照一定的规则进行变换后，在一条线路上完成分时传输。由于电力电子器件IGBT换流阀中触发信号的通信信息量很小，且各种信号之间存在联系并不是完全并行的关系，因此，采用这种通信方法在增加了通信信息量的同时，并不会影响通信的实时性，另外还可以提高通信效率，降低线路损耗。

目前国内外尚未见到有用类似方法实现高压电力电子器件IGBT串联阀触发信号传输的相关技术专利。

发明内容

本发明设计了一种触发脉冲分配单元与电力电子器件IGBT门极驱动单元之间的触发信号通信方法，该方法以光纤作为通信介质，保证了通信的可靠性，并通过一定的调制方法使各种触发信号只需一根光纤就可完成传输，从而提高了通信效率，降低了通信线路损耗，并保证了设备之间最小的线路连接数，降低了光纤消耗的成本。

因此本发明提出了一种高压电力电子器件串联阀触发信号的通信方法，其特征在于在触发脉冲分配单元和绝缘栅双极型功率管IGBT的门极驱动单元之间采用唯一的信息传输通道，将各种待传输的触发控制信号经过调制方法调制后在光纤上进行分时传输。

其中，所述调制方法包括模拟调制方法或数字调制方法，其中所述模拟调制方法将各种待传输的触发控制信号变换为幅值、频率或宽度不同的信号来进行传输，所述数字调制方法将各种待传输的触发控制信号编码为不同的数字脉冲序列来进行传输。

其中，所述调制方法采用阀控制器中的软件来补偿调制前和解调后的所述触发控制信号的畸变。

其中，通过脉宽调制模块将各种待传输的触发控制信号调制为不同时间宽度的脉冲信号进行传输。

其中，所述脉宽调制模块的功能是当输入信号跳变沿检测逻辑检测到待传输信号的跳变沿时，通过定时器使能逻辑启动定时器，并通过输出逻辑使输出端开始输出高电平信号，同时根据输入的不同信号的跳变沿由定时器阈值选择逻辑生成不同的定时时间，当定时时间到达时，将输出端的高电平拉低，结束脉冲的输出。

其中，所述脉宽调制模块可使用复杂可编程逻辑器件(CPLD)或现场可编程逻辑门阵列(FGPA)来实现。

其中，通过脉宽解调模块将调制后的信号进行解调，解调的过程是计时器控制逻辑在脉宽信号期间使能计时器进行计时，当输入脉宽信号结束时，计时结束，并通过计时时间判断逻辑判断该输入信号为哪一种触发控制信号，并通过输出逻辑将其还原为相应的跳变沿信号。

其中，所述解调的过程中用于判断的参考阈值是一个范围，从而对信息传递任何环节产生的偏差有一定宽容度。

其中，所述脉宽解调模块使用数字电路或模拟电路或复杂可编程逻辑器件(CPLD)或现场可编程逻辑门阵列(FGPA)来实现。

其中，所述光纤是高压光纤。

本发明的有益效果是：

1.在触发电力电子器件IGBT正常开通和关断功能的同时，提供阀试验信号、故障闭锁等信号的通信功能，并采用阀整体同步动作方式，避免单一器件由于过压造成的损坏。

2.利用光纤作为触发脉冲分配单元与电力电子器件IGBT驱动单元间触发信号的传输介质，保证了通信的可靠性和快速性，并实现了高低压侧设备间的电气隔离。

3.在触发脉冲分配单元与电力电子器件IGBT门极驱动单元之间只使用一根光纤，节省了光纤连接数和接口电路规模，降低了设备成本。

4.采用调制与解调的通信方式，提高了通信信息容量和通信效率，降低了通信线路开销和线路损耗。

5.解调过程中用于判断的参考阈值是一个范围，对信息传递任何环节产生的偏差有一定宽容度，只要误差在一定范围内仍然可以实现正确的触发，进一步增强了触发的可靠性。

附图说明

图1是依据本发明方法的高压电力电子器件IGBT串联阀触发系统的总体硬件构成示意图；

图2是依据本发明方法的PWM正常开通和关断信号的传输过程示意图；

图3是依据本发明方法的脉宽调制模块的逻辑功能示意图；

图4是依据本发明方法的脉宽解调模块的逻辑功能示意图。

具体实施方式

本发明涉及的高压电力电子器件IGBT串联阀触发系统的总体硬件构成如附图1所示。触发脉冲分配单元与电力电子器件IGBT门极驱动单元之间的信息通道2以光纤作为传输载体，触发脉冲分配单元和电力电子器件IGBT门极驱动单元中分别设有光发射器和光接收器。光纤连接一方面实现了两个设备间的电气隔离，另一方面，由于光纤上传输的光信号传输损失小，抗干扰性强，且传输延时小，保证了信息传输和电力电子器件IGBT触发的可靠性。触发脉冲分配单元中的触发信号调制设备的输入信号1为阀控制器产生的待传信息，包括PWM触发脉冲及其他触发控制信号。调制设备将待传信号进行调制处理后，通过光纤线路2传输到电力电子器件IGBT门极驱动单元。电力电子器件IGBT门极驱动单元中的解调设备将接收到的信号进行解调，使其还原为其调制前的形式，并经触发电路完成电力电子器件IGBT的触发控制。

待传信号的调制方法可以有多种，包括模拟调制方法和数字调制方法。其中，模拟调制方法可以将不同的触发控制信号变换为幅值、频率或宽度等不同的信号完成传输，而数字调制则可以将不同的触发控制信号编码为不同的数字脉冲序列进行传输。下面以基于脉冲宽度的模拟调制方法为例说明触发信号的光纤通信过程，即通过不同时间长度的脉冲来代表不同的触发信号并在光纤中完成传输。

如附图2所示为PWM正常开通和关断信号的传输过程，其中原始PWM为阀控制器生成的原始PWM触发脉冲，其通过附图1中的1输入到触发脉冲分配单元的调制模块中。调制后的信号为触发脉冲分配单元按照时间宽度调制的方法对原始PWM进行处理后并在光纤线路2上传输的信号，其中，原始PWM信号的上升沿和下降沿被分别调制成了不同时间宽度的脉冲。解调后的PWM为电力电子器件IGBT驱动单元接收到光纤线路2上传送来的调制后的信号后，经解调逻辑电路解调后的PWM触发脉冲，其中，两种不同宽度的脉冲被还原为了相应的上升沿和下降沿信息，从而生成了PWM触发脉冲的复原形式。另外，在阀控制设备中配置了相应的软件处理环节用以补偿解调后的PWM与原始PWM之间的畸变。对于阀试验信号、故障闭锁信号等其他触发控制信号的传输方式，也可采用同样的脉冲宽度调制方式实现。

触发脉冲分配单元中包含一个脉宽调制模块，用于将不同的待传信号分别调制成为不同时间宽度的脉冲信号，其逻辑功能如附图3所示。当输入信号跳变沿检测逻辑检测到待传信号的上升沿时，通过定时器使能逻辑启动定时器，并通过输出逻辑使输出端开始输出高电平信号，同时，根据输入的不同信号的跳变沿由定时器阈值选择逻辑生成不同的定时时间，当定时时间到达时，将输出端的高电平拉低，结束脉冲的输出。触发脉冲分配单元中的调制模块可由复杂可编程逻辑器件(CPLD)或现场可编程逻辑门阵列(FGPA)实现。电力电子器件IGBT门极驱动单元中包含一个脉宽解调模块，其逻辑功能如附图4所示。调制后的脉宽信号经光纤传输到脉宽解调模块中，计时器控制逻辑在脉宽信号期间使能计时器进行计时，当输入脉宽信号结束时，结束计时，并使能计时时间判断逻辑，判断该输入信号为哪一种触发控制信号，并通过输出逻辑将其还原为相应的跳变沿信号。其中，计时时间判断逻辑依据的时间参考阈值不是一个确定的时间，而应为一个时间范围，这样的设计方法可以有效抑制通信过程中各个环节可能产生的时间延迟。电力电子器件IGBT驱动单元中的脉宽解调模块可由适当的数字及模拟电路组成，或由CPLD/FPGA逻辑器件实现。

此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。

Claims (5)

1.一种高压电力电子器件串联阀触发信号的通信方法，其特征在于在触发脉冲分配单元和绝缘栅双极型功率管IGBT的门极驱动单元之间采用唯一的信息传输通道，将各种待传输的触发控制信号经过调制方法调制后在光纤上进行分时传输；所述调制方法为模拟调制方法，所述模拟调制方法将各种待传输的触发控制信号变换为幅值、频率或宽度不同的信号来进行传输；

所述调制方法采用阀控制器中的软件来补偿调制前和解调后的所述触发控制信号的畸变；

其特征还在于通过脉宽调制模块将各种待传输的触发控制信号调制为不同时间宽度的脉冲信号进行传输；

其特征还在于所述脉宽调制模块的功能是当输入信号跳变沿检测逻辑检测到待传输信号的跳变沿时，通过定时器使能逻辑启动定时器，并通过输出逻辑使输出端开始输出高电平信号，同时根据输入的不同信号的跳变沿由定时器阈值选择逻辑生成不同的定时时间，当定时时间到达时，将输出端的高电平拉低，结束脉冲的输出；

其特征还在于所述脉宽调制模块使用复杂可编程逻辑器件(CPLD)或现场可编程逻辑门阵列(FGPA)来实现。

2.如权利要求1所述的方法，其特征还在于通过脉宽解调模块将调制后的信号进行解调，解调的过程是计时器控制逻辑在脉宽信号期间使能计时器进行计时，当输入脉宽信号结束时，计时结束，并通过计时时间判断逻辑判断该输入信号为哪一种触发控制信号，并通过输出逻辑将其还原为相应的跳变沿信号。

3.如权利要求2所述的方法，其特征还在于所述解调的过程中用于判断的参考阈值是一个范围，从而对信息传递任何环节产生的偏差有一定宽容度。

4.如权利要求3所述的方法，其特征还在于所述脉宽解调模块使用数字电路或模拟电路或复杂可编程逻辑器件(CPLD)或现场可编程逻辑门阵列(FGPA)来实现。

5.如权利要求1-4任一所述的方法，其特征还在于所述光纤是高压光纤。 

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