CN101615842A

CN101615842A - 电力电子功率单元模块

Info

Publication number: CN101615842A
Application number: CN 200910183818
Authority: CN
Inventors: 赵剑锋; 季振东; 吴琳娴; 吴静; 李静玲; 于鹏
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2009-07-31
Filing date: 2009-07-31
Publication date: 2009-12-30

Abstract

电力电子功率单元模块由功率器件单元、驱动及保护电路、检测及调理电路、控制电路、通讯接口电路、缓冲电路和散热器组成，形成一个独立的、具有标准接口的模块。标准接口包括：电源接口(通过辅助电源接入)，通讯接口(两个光纤接口，其中一路发送，一路接受)，功率模块互连接口(三个端口：两个直流端口和一个交流端口)。以单桥臂电路作为功率器件单元，多个功率单元模块通过互连接口连接即可组成大多数电力电子装置。其中各个电力电子功率单元模块均通过标准的通讯接口由控制平台统一控制。应用电力电子功率单元模块可以大大缩短电力电子装置的开发周期，并推动了电力电子装置模块化的发展。

Description

电力电子功率单元模块

技术领域

本发明涉及一种电路集成化模块，属于电力电子技术领域。

背景技术

传统电力电子产品的大致研发过程为：首先，进行理论分析；其次，利用仿真工具进行原理验证和参数设计工作；然后，进行样机设计工作；最后，在上述工作基础上完成产品化过程。但是，就电力电子产品设计开发过程的样机设计阶段而言，目前的状况是，先完成主电路、驱动电路以及控制电路硬件设计及调试；然后编制控制软件；最后，进行软硬件调试，完成初步样机。由于电路的设计、制作、安装亦需要花费大量的时间和精力，而且硬件电路一旦设计出来，如调试中出现问题很难改动，甚至需要重新研制，因此整个周期比较长。而且设计相似的产品时，都必须重复类似的设计过程，这些问题严重制约了电力电子技术应用领域的拓展。

因此，需提出一种通用简便的设计方法，提高电力电子产品的研发效率。

发明内容

技术问题：针对上述电力电子装置开发效率低、重复劳动过多等问题，本发明旨在设计一种集成化的电力电子功率单元模块，由多个电力电子功率单元模块组成的电路可以用于大多数电力电子应用场合，各个电力电子功率单元模块均通过通讯接口连接至上层控制平台，并由上层控制平台统一控制。

技术方案：本发明的电力电子功率单元模块包功率器件单元、驱动及保护电路、检测及调理电路、控制电路、通讯接口、缓冲电路、散热器；其中，通讯接口内部的输入端和输出端分别接控制电路，驱动及保护电路的输入端和输出端分别接控制电路；功率器件单元为由两个功率器件串联构成的单桥臂电路，功率器件均带有与之并联的快恢复二极管，相串联的两个功率器件的两端分别为直流正端和直流负端，分别接驱动及保护电路、缓冲电路和检测及调理电路，相串联的两个功率器件的中端为交流端；检测及调理电路的输出端接控制电路。

通讯接口是指与统一控制平台的接口；控制电路是把检测到的故障信号及主电路的电流、电压信号处理后经通讯接口送给上层控制平台处理，从而减少上层控制平台的工作量。

驱动及保护电路有小功率电力电子器件的驱动和保护电路和大功率电力电子器件的驱动和保护电路两种。小功率电力电子器件的驱动和保护电路由低端驱动芯片及分立元件构成的保护电路两部分组成，以降低生产成本。低端驱动芯片是指不经外部放大电路只能驱动小功率IGBT或MOSFET的驱动芯片，是指不具有完整保护功能或不具有任何保护功能的驱动芯片；大功率电力电子器件的驱动和保护电路对隔离和抗干扰的要求比较高，采用集成的带完整保护功能的，可以直接驱动大功率IGBT的驱动芯片；

针对IGBT，驱动及保护电路中的保护是指针对单个IGBT的栅极过压保护、集电极与发射极间的过压保护、驱动电源欠压保护；

检测及调理电路包括温度检测，电压、电流检测及AD转换电路。温度检测采用数字输出温度传感器，无需A/D转换直接连至控制电路，温度传感器安装在靠近功率器件IGBT或MOSFET的散热板上，检测的温度近似认为是功率器件的温度；电压、电流检测分别采用线性霍尔元件，分别检测主电路的电压和电流，输出信号经A/D转换后送至控制电路；

控制电路可以由单片机或CPLD构成，有三部分电路与之连接：第一部分是与通讯接口的连接，通讯接口向控制电路发出一路PWM驱动信号或复位信号，控制电路向通讯接口送回的是传感器(主电路电压、电流和功率器件的温度)的值和错误编码(过温、过压、过流、欠压)；第二部分是与驱动及保护电路的连接，由于上下管的驱动信号是互补的，故通讯接口送入控制电路的一路PWM驱动信号经处理后可形成带死区的两路PWM脉冲信号，然后送到驱动与保护模块来驱动一个单桥臂，从驱动及保护电路返回的故障信号经控制电路编码后得到对应于不同故障的错误编码(过压、驱动电源欠压)送至通讯接口；第三部分是与检测及调理电路的连接，由检测及调理电路向控制电路发送主电路的电压、电流和功率器件的温度信号，与控制电路内部已设定的数值比较后对功率器件做出直流过压保护、过流保护、过温保护，并通过不同的编码将传感器的测量值和故障编码送出；

通讯接口电路采用光纤通信，其作用是实现上层控制平台与电力电子功率单元模块之间的通讯，包括PWM驱动信号或复位信号的发出和故障编码、传感器值的返回；缓冲电路主要用于抑制功率器件单元内部的过电压和du/dt或者过电流和di/dt，同时减小功率器件的开关损耗。缓冲电路可采用C缓冲电路、RC缓冲电路、RCVD缓冲电路等形式。

散热器相当于一个基座，功率器件单元安装在散热器上，其它电路以印制电路板的形式固定于功率器件单元之上，从而形成一个集成的模块。

有益效果：本发明的突出特点是功率单元模块方便组合，不同电压等级的功率单元模块组合可分别应用于小功率和中大功率场合。通过硬件方面功率模块的组合实现所需要的主电路拓扑，再由上层控制平台进行统一控制，当相同的主电路应用于其他场合时，只需改变相应的控制方法。其优点在大功率场合尤为突出，通过这种快速拼接的方法和实时的控制可以大大减少重复劳动和资源浪费，提高开发效率。

本发明的另一特点是，功率器件主要采用IGBT或MOSFET，但也不局限于这两种器件，功率器件单元也不拘泥于单桥臂这一特定的形式，以适应大功率场合的全桥型拓扑为主流，也可采用由半控型的SCR组成或IGBT与二极管组合的功率器件单元。

本发明的第三大特点是，应用单片机或CPLD构成的控制电路进行信号处理，可以大大减少通讯的光纤接口的数量同时减少控制平台的信息处理量。当控制大功率电力电子装置时这个优点尤为突出，电力电子装置的功率越大，所需的功率器件也就相应增多，这样控制平台的信息处理量就会急剧增加，而使用控制电路正好可以缓解这种情况。

附图说明

图1是本发明实施例中电力电子功率单元模块的结构示意图；

图2是本发明实施例中通讯接口内部结构框图；

图3是本发明实施例中电力电子功率单元模块的应用实例示意图。

以上的图中有：功率器件单元1、驱动及保护电路2、检测及调理电路3、控制电路4、通讯接口电路5、缓冲电路6、散热器7。

具体实施方式

以下结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。

该功率单元模块包括功率器件单元、驱动及保护电路、检测及调理电路、控制电路、通讯接口电路、缓冲电路和散热器。其特征在于：将构成电力电子功率单元模块的上述各个分立的元器件集成为一体，形成一个独立的、具有标准接口的模块。

功率器件单元1为由两个IGBT或MOSFET构成的单桥臂电路，IGBT或MOSFET均带有与之并联的快恢复二极管，多个功率单元模块能够组成大多数电力电子拓扑主电路结构；通讯接口是指与统一控制平台的接口；控制电路功能是把检测到的故障信号及主电路的电流、电压信号处理后经通讯接口送给上层控制平台处理，从而减少上层控制平台的工作量。

多个功率单元模块可组成常用的电力电子拓扑结构，如单相整流、逆变电路，三相整流、逆变电路，级联型的多重逆变电路等。由功率单元模块组成的上述电路可应用于大多数电力电子应用场合，如有源滤波、风电并网、光伏并网、故障限流器、STATCOM等。

功率器件单元不局限于由两个IGBT或MOSFET构成的单桥臂电路，也可以是由SCR、GTO等电流型器件构成为的单桥臂电路，也可以是由不同的电力电子器件构成的单桥臂单元或由电力电子器件和无源元件构成的功率器件单元。

该部分电路具有驱动及保护IGBT或MOSFET的功能。该部分电路可以由低端驱动芯片及由分立元件构成的保护电路组成，低端驱动芯片是指不经外部放大电路只能驱动小功率IGBT或MOSFET的驱动芯片，是指不具有完整保护功能或不具有任何保护功能的驱动芯片；也可以是现成的带完整保护功能的，可以直接驱动大功率IGBT的驱动芯片。

散热器也是电力电子功率单元模块的一部分，功率器件单元安装在散热器上，其它电路以印制电路板的形式固定于功率器件单元之上。

标准接口包括电源接口、通讯接口和功率模块互联接口三部分。其中，电源接口通过辅助电源接入；通讯接口为两个光纤接口，其中一路发送，一路接收；功率模块互连接口为功率器件单元的三个端口，两个直流端口和一个交流端口。

发明人给出了下面的实施实例，但本发明并不局限于这些实施实例。

图3给出了通讯接口的内部框图，如图所示，本发明实施例的传输系统包括有两条连接在控制平台与功率单元模块间的用于信号传输的光纤。其中一条光纤用来传输功率单元模块发往上层控制平台的上行信号，功率单元模块的状态信号经控制电路和电/光转换电路，再由该光纤向上层控制平台传输；另一条光纤用来传输上层控制平台发往功率模块的下行信号，由控制平台发出的功率模块驱动信号和功率模块复位信号经此光纤的传输，再经过光/电转换电路后送至功率模块。

功率模块复位信号是使功率器件单元复位的信号。与驱动信号不同，控制信号为持续逻辑电平信号。通过分时复用技术实现一条光纤传输控制信号和驱动信号，由脉宽检测单元来辨别是控制信号还是驱动信号。处于复位信号状态时，下行信号为持续的逻辑低电平。

上述的上行信号，是功率模块将错误编码(过流、欠压、过压、过温、光纤故障、复位等)及检测的电压、电流、温度值上传给控制平台。

除了PWM脉冲工作状态和持续低电平复位状态以外的状态判定为光纤故障。PWM脉冲工作状态时，信号经过控制电路处理后驱动功率器件单元。持续低电平复位状态时，信号经过控制电路处理后对功率器件单元进行信号闭锁。

电力电子装置主电路的实现如图4所示。以两个带反并联二极管的IGBT构成的单桥臂电路为功率器件单元，则构建如图4所示的三相全控桥，只需要由3个功率单元模块和一个直流电容组成，该主电路可用于PWM整流、逆变，APF、SVC等。

图5给出了应用本发明所提出的电力电子功率单元模块所构成的有源电力滤波装置的示意图，其中电力电子功率单元模块示意图采用图2所示的简化结构。工作原理为：(1)检测非线性负载的电流与网侧a相电压的相位，按照基于瞬时无功功率理论算法计算出所要补偿的谐波和无功电流作为指令电流。(2)由功率单元模块中霍尔电流传感器检测得到的有源滤波器主电路的电流，经信号调理后进行电流跟踪控制，将主电路补偿电流与指令电流进行比较后送出门极开关控制信号，从而使得使主电路补偿电流跟踪指令电流，达到补偿谐波和无功电流的目的。(3)通过功率单元模块中霍尔电压传感器检测变流器直流侧的总电压，通过PI控制及其他合理的控制措施达到直流侧电压的稳定。

由本实施实例可看出，功率单元模块的出现不仅可以大大减少硬件电路设计的工作量，还可以减少一些外部检测电路，从而提高电力电子装置的开发效率。

Claims

1、一种电力电子功率单元模块，其特征在于该功率单元模块包功率器件单元(1)、驱动及保护电路(2)、检测及调理电路(3)、控制电路(4)、通讯接口(5)、缓冲电路(6)、散热器(7)；其中，通讯接口(5)内部的输入端和输出端分别接控制电路(4)，驱动及保护电路(2)的输入端和输出端分别接控制电路(4)；功率器件单元(1)为由两个功率器件(IGBT)串联构成的单桥臂电路，功率器件(IGBT)均带有与之并联的快恢复二极管，相串联的两个功率器件(IGBT)的两端分别为直流正端(+DC)和直流负端(-DC)，分别接驱动及保护电路(2)、缓冲电路(6)和检测及调理电路(3)，相串联的两个功率器件(IGBT)的中端为交流端(AC)；检测及调理电路(3)的输出端接控制电路(4)。

2、根据权利要求1所述的电力电子功率单元模块，其特征在于：通讯接口(5)是指与统一控制平台的接口；控制电路(4)是把检测到的故障信号及主电路的电流、电压信号处理后经通讯接口送给上层控制平台处理，从而减少上层控制平台的工作量。