CN102075068B - 用于极高可靠性电力电子装置系统的电路和拓扑 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于极高可靠性电力电子装置系统的电路和拓扑。包括多个控制器单元(20)的电路和系统拓扑，其配置成提供高可靠性电力系统(10)。通过多个控制器单元(20)来控制子系统和设备，使得即使控制器单元(20)、子系统(14)、(16)和设备(12)发生故障之后，高可靠性电力系统(10)也能保持运行。

Description

用于极高可靠性电力电子装置系统的电路和拓扑

技术领域

本发明一般来说涉及电力电子装置(power electronics)，更特别地，涉及提供高可靠性电力系统的电路和系统拓扑。

背景技术

兆瓦范围内的电力电子装置系统通常由大量的电力和控制元件组成。冗余理念，除了使元件耐用之外，通常用于提高该电力电子装置系统的可靠性。冗余拓扑(redundant topology)的一个最为普遍的示例之一是，n+1或更多个元件例如晶闸管(thyristor)串联连接。该串联技术通常限制电力半导体(powersemiconductor)的冗余，如控制系统本身一样，特别是控制系统和(一个或多个)电力半导体之间的接口并不冗余。

控制系统和电力半导体之间的非冗余接口发生故障的风险在于，该非冗余接口虽然对于标准的工业应用是可接受的，但是对于海底电力变换系统是不可接受的。这是因为海底电力变换(power conversion)系统例如油和/或气的工业海底装置的可靠性要求更高。一旦发生故障，必要的干预对于海底电力变换系统的时间和成本将提出更高要求。

由于采用通常用于其他应用的备用部件是不经济的，海底电力变换器(converter)的冗余是必须具有的。在这样的海底应用中，在运行条件与海底运行条件非常匹配的情况下，要安装的备用单元经几年的储存后必须被测试。

改进系统可靠性的一种选项是安装附加的电力电子单元。与海底电力电子装置相关的成本通常不会表现得超过海底电力变换单元的总体成本的大约20％。无源元件需要海底电力变换单元的大部分空间。当合适设计时，这些无源元件几乎不会发生故障。因此，在每个船用(marinized)海底转换单元中安装备用电力电子装置控制单元会很具吸引力。备用单元不会造成运行损耗，可以时常测试，并可以接管负载的受控供电(controlled supply)而不会造成相关的系统中断时间。

万一前述方案不可行，另一选项将会是设计一种没有单点故障(single pointof failure)的系统。鉴于前述方案，提供用于消除与电力变换器/电力电子装置系统相关的任何单点故障的电路/系统是有利和有益的，并且其能够与几乎任何已知的电力电子装置拓扑一起使用。如果电路/系统可以容易地装配在现有的AC/DC变换器拓扑，DC/AC变换器拓扑，或者DC/DC变换器拓扑中，这将更为有利。

发明内容

简要地，根据一种实施方式，一种电力电子装置系统包括：

串联连接以提供高可靠性的开关的多个基本相同的半导体开关设备(semiconductor switching device)，每个半导体开关设备均通过相应的栅极驱动单元驱动，其中栅极驱动单元具有结合在其中的表决(voting)单元；以及

多个控制器单元，每个控制器单元均配置成产生全套输出信号，每个输出信号与单个半导体开关设备的各自的所结合的表决和栅极驱动单元通信，使得通过多个控制器单元的表决结果来控制相应的半导体开关设备。

根据另一种实施方式，一种电力电子装置系统包括：

多个基本相同的电力电子装置组，每个组均通过相应的控制单元控制，其中如果一个或多个不同的电力电子装置组控制单元发生故障，每个控制单元也能够控制一个或多个不同的电力电子装置组，使得在其相应的控制单元发生故障后，每个电力电子装置组依然保持运行。

根据又一种实施方式，一种电力电子装置系统包括：

一个或多个基本相同的电力开关设备(power switching device)组，每个电力开关设备组通过相应的栅极驱动单元和表决单元组控制；以及

一个或多个控制器单元，每个控制器单元均配置成产生多组输出信号，每组输出信号对应于单个组的栅极驱动单元和相应的表决单元，使得每组电力开关设备通过与每个控制器单元相关联的输出信号组来控制。

根据又一种实施方式，一种电力电子装置系统包括：

多个电力电子装置子系统，每个子系统响应于相应的栅极驱动单元和表决单元；以及

多个控制器单元，每个控制器单元配置成产生多个输出信号，每个输出信号对应于单个栅极驱动单元和相应的表决单元，使得每个子系统通过与每个控制器单元相关联的相应的输出信号来控制。

根据又一种实施方式，一种电力电子装置系统包括多个电力变换器驱动控制单元，其配置成有选择地驱动多个冗余的电力变换器，每个控制单元包括多个输出，该输出配置成提供所期望水平(level)的电力变换器驱动冗余，使得至少一个相应的电力变换器驱动控制单元发生故障后，每个电力变换器均能保持运行。

根据又一种实施方式，一种电力电子装置系统包括多个海底电力电子装置控制单元，其配置成有选择地驱动多个冗余的海底电力电子装置模块，每个控制单元包括多个输出，该输出配置成提供所期望水平的海底电力电子装置模块冗余，使得至少一个相应的海底电力电子装置模块控制单元发生故障后，每个海底电力电子装置模块均能保持运行。

根据又一种实施方式，一种电力电子装置系统包括多个冗余的海底电力电子装置子系统，其配置成有选择地向海底负载传送电力，使得在与至少一个海底电力电子装置子系统相关的故障或关断后，海底负载从至少一个海底电力电子装置子系统继续接收电力。

根据又一种实施方式，一种电力电子装置系统包括多个冗余的海底电力电子装置子系统，每个子系统包括多个无源设备和多个基本相同的有源设备，其中电力电子装置系统配置成有选择地向海底负载传送电力，使得只要至少一个子系统保持运行，在基本相同的有源设备中的一个或多个发生故障后，海底负载从至少一个海底电力电子装置子系统继续接收电力。

附图说明

参考附图阅读下列的详细说明时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更容易理解，其中相同的附图标记在图中自始至终表示相同的部件，其中：

图1示出了根据本发明的一种实施方式的用于大功率电子装置系统(highpower electronics system)的电路和系统拓扑；

图2示出了无单点故障的标准2级相腿(2-level phase leg)的示例性实施方式；

图3示出了根据本发明的另一实施方式的用于大功率电子装置系统的电路和系统拓扑；

图4示出了描述串联设备的DC/DC变换器的一种示例性实施方式；以及

图5示出了根据本发明的一种实施方式的驱动各个海底负载的DC/AC逆变器系统的简化表示。

尽管上述附图阐述了特定的实施方式，本发明的其他实施方式也可预期，如在讨论中所述的。所有情况下，本公开表示性地而非限制性地表示本发明的所例示实施方式。本领域技术人员可作出均落入本发明原理的范围和精神之内的多个其他的修正和实施方式。

具体实施方式

图1示出了用于不具有单点故障的大功率电子装置系统的电路和系统拓扑，对于很多不同实施方式而言该单点故障用作基本的构件。大功率电子装置系统10用作单个开关的功能并且可用于几乎每个已知的电力电子装置拓扑中。它包括多个(n+1)基本相同的大电力开关设备12，该大电力开关设备12例如，但不限于，以串联结构连接以提供所期望水平的开关冗余的电力半导体，使得开关设备12中的一个或多个发生短路故障模式后，开关依然能够持续工作。电力半导体可以是IGBT或IGCT或晶闸管设备，但不限于此。

通过向整个系统扩展前述冗余特征，大功率电子装置系统10提供所期望水平的可靠性/可用性。尽管标准栅极驱动单元仅具有用以控制其输出状态的单个输入，但大功率电子装置系统10的每个栅极驱动单元14均具有相应的表决单元16。每个表决单元16具有多个输入18。每个表决单元输入18由相应的控制单元20驱动。每个控制单元20配置成在一个或多个控制单元发生故障时向附加的表决单元16提供输入。每个表决单元可以使用例如与开关设备12的栅极驱动单元14相结合的XOR逻辑。

尽管仅仅示出了n＝3个控制单元20，还可以容易地采用其他实施方式，其中使用了任何所期望数目n个控制单元20和相应的表决单元18，所述表决单元18配置有对应于所期望数目n个控制单元20的所必需数目个输入。

大功率电子装置系统10由此也向不只是大电力开关设备12的系统10的其他部分扩展该冗余特征。通过相应的电力半导体12来使得栅极驱动单元14和表决单元16是冗余的；并且冗余的栅极驱动控制单元20配置成向每个表决单元16提供冗余的输入信号。

根据一种实施方式，如果任何两个或多个表决输入18命令用于相应的表决单元16的接通状态(on-state)，则特定的大电力开关设备12接通。图1所描述的电路和系统拓扑由此消除了任何的单点故障，包括开关设备12和所有相应的控制单元20和驱动单元14以及表决单元16。

电力设备12的短路故障模式特征是被动冗余(passive redundancy)的概念，因为对于任何故障检测和/或隔离方案没有要求。为了系统10的整个使用寿命，任何已发生故障的设备均保留在电路中。根据一种实施方式，大功率电子装置系统10是用于海底应用的船用设计。

图2描述了根据本发明的另一种实施方式的大功率电子装置系统30的电路和系统拓扑。大功率电子装置系统30采用了多个冗余的前端控制器32。每个前端控制器32配置有多个输出组34，36。输出组34配置成控制一组包括相应的表决和栅极驱动单元的开关设备38。输出组36配置成控制另一组包括相应的表决和栅极驱动单元的开关设备40，如上所述。图2中描述的电路和系统拓扑由此提供所期望水平的设备冗余，使得无论特定的控制器32是否发生故障，或者特定的开关设备组38，40内是否发生故障，又或者互连41是否发生故障，大功率电子装置系统30均可以继续运行。

根据某些实施方式，大功率电子装置系统30包括在海底DC/DC变换器42中串联连接的设备组38，40(如图4所示)，或者向一个或多个负载60供电的一个或多个DC到AC逆变器模块58(如图5所示)。

图3示出了根据本发明的又一种实施方式的用于大功率电子装置系统50的电路和系统拓扑。大功率电子装置系统50采用多个冗余的前端控制器52。每个前端控制器52配置有多个输出54，其中每个控制器输出54用以提供表决单元输入信号，如上所述。每个前端控制器配置成提供所有必需的信号来控制一个或多个两相或三相DC/AC变换器。图3所描述的电路和系统拓扑由此提供所期望水平的设备冗余，使得不管特定的控制器52是否发生故障，或者特定的桥接电路56是否发生故障，大功率电子装置系统50将继续运行。根据一种实施方式，图3所述的电路和系统拓扑包括驱动一个或多个海底负载的逆变器系统。

总的来说，已经描述了以一种简单方式或是比其他已知系统更为简洁的方式提供所期望水平的系统和/或设备冗余的高可靠性电力电子装置系统。高可靠性电力电子装置系统对于达到用于海底应用的所期望水平的可靠性特别有用，其中可靠性是关键因素，并且由于该成本通常少于总系统成本的5％，因此电力电子装置的成本实际上并不算问题。

由于所有串联设备的栅极信号相同，因此用于高可靠性电力电子装置系统的设备级冗余可以以一种简单的方式或比其他已知应用更为简洁的方式实现。由于无源元件不太可能发生故障，而且太大占据过多的空间，因此一种实施方式中的系统冗余仅与有源元件有关。

例如，采用本文所述原理的海底应用可以仅仅使用有源元件冗余，允许系统在发生故障和/或关断后能够被远程配置，使得采用不同的有源设备但采用相同的无源设备，则有可能进行重启并且运行可以持续。

尽管上述特定的实施方式在设备或控制单元发生故障时能够实现继续运行，也可采用上述原理来配置冗余拓扑，从而使得全部子系统例如电力变换器能够在子系统故障或关断后继续运行。例如，这样的拓扑可以断开发生故障的子系统，并且使得能够运行冗余子系统，该冗余子系统采用不同的有源设备组但是继续采用相同的无源设备组，包括但不限于，电容器，电感器，变压器等等。现有无源设备的继续使用能够确保维持最小的尺寸和重量限制。

上述实施方式对于消除维持备用单元测试要求的需要而言特别有用。因为备用单元必须在尽可能地接近海底运行条件的运行条件下测试，不管是一旦发生故障就将该备用单元安装在海滩上，还是将该备用单元与固定安装的测试站相关联，保持附加的备用单元均需要很大的努力，因为测试将需要利用制动电阻器连接至发电机的代表性陆上电机负载，。

尽管此处仅仅举例说明和描述了本发明的某些特征，本领域技术人员将会想到多种修正和改变。因此，可以理解的是，附加的权利要求旨在覆盖所有这种落入本发明真实精神之内的修正和改变。

元件列表

(10)大功率电子装置系统

(12)相同的大电力开关设备

(14)栅极驱动单元

(16)表决单元

(18)输入

(20)控制单元

(30)大功率电子装置系统

(32)冗余前端控制器

(34)输出组

(36)输出组

(38)开关设备组

(40)开关设备组

(41)互连

(42)DC/DC变换器

(50)大功率电子装置系统

(52)前端控制器

(54)控制器输出

(56)桥接电路

(58)DC/AC逆变器模块

(60)(一个或多个)负载

Claims (4)

1. 一种电力电子装置系统（10），包括：

串联连接以提供高可靠性的开关的多个基本相同的半导体开关设备（12）;

多个与对应的所述半导体开关设备通信的栅极驱动单元（14），所述栅极驱动单元（14）中的每一个响应驱动信号来驱动相应的所述半导体开关设备；

多个表决单元（16），所述表决单元中的每一个结合在对应的所述栅极驱动单元内；以及

多个基本相同的控制器单元（20），所述控制器单元（20）中的每一个均配置成提供所述驱动信号给每一个所述表决单元；

其中如果所述表决单元接收来自所述多个控制单元的任何两个或者多个驱动信号是命令接通状态，则与所述表决单元对应的所述半导体开关设备接通。

2. 根据权利要求1所述的电力电子装置系统（10），其中不管开关设备（12）中的任何一个或多个是否发生短路故障，只要至少最小数目的开关设备保持运行，则多个基本相同的半导体开关设备（12）就被配置成作为高可靠性开关。

3. 根据权利要求1所述的电力电子装置系统（10），其中多个基本相同的半导体开关设备（12）、相应的栅极驱动单元（14）和各自的所结合的表决单元（16），以及多个基本相同的控制器单元（20）一起被配置为海底电力电子装置系统。

4. 根据权利要求1所述的电力电子装置系统（10），其中多个基本相同的半导体开关设备（12）被结合在海底DC/DC变换器（42）或者一个或多个DC到AC逆变器模块（58）中。