CN103259254A - 一种串联igbt阀组保护系统及保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种串联IGBT阀组保护系统，所述串联IGBT阀组包括顺序串联而成的至少两个IGBT；所述保护系统包括一个阀控制单元和与IGBT数目相同的门极驱动单元，且门极驱动单元与IGBT一一对应；所述门极驱动单元均包括门极触发电路、信号检测电路、故障检测模块、保护开放窗口获取模块和编码模块，而阀控制单元包括触发脉冲分配模块、保护逻辑处理模块和解码模块；该保护系统可实现对串联IGBT阀组的过压、过流、触发脉冲丢失、短路及过dv/dt故障。本发明还公开一种串联IGBT阀组保护方法。
Description
技术领域
本发明属于电力电子及电力系统应用领域，特别涉及一种串联IGBT阀组的保护系统及方法。
背景技术
绝缘栅双极晶体管（IGBT）是一种比较理想的全控型器件，在电力电子及电力系统领域得到了广泛的应用。然而在许多高压及超高压场合，由于单个IGBT的耐压有限，导致其使用受到限制，而将低压的IGBT器件应用于高压场合的最有效的方法就是将多只IGBT串联。
在IGBT单个使用的场合，对IGBT的保护采用的是检测电压电流信号，当检测到故障时在驱动板卡直接闭锁IGBT触发信号，现在的驱动芯片大多都具备这种保护功能。但在IGBT串联使用的场合，如果还采用这种方案，则会发生高电压全部加在因故障先闭锁的IGBT上，从而导致这个IGBT过压损坏。同时，闭锁IGBT引起的故障，还会进一步延伸，导致整个IGBT阀组的损坏。
与IGBT单个使用时保护方法的另一个不同点是，IGBT串联使用时除了要考虑过压、过流、触发脉冲丢失、短路及过dv/dt的故障外，还须考虑IGBT冗余。即当某些IGBT因驱动信号丢失不能正常触发时，必须有强制触发电路使IGBT仍能可靠开通和关断，从而保证在单个IGBT驱动信号丢失的情况下阀组还能正常工作，即具备器件冗余。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种串联IGBT阀组保护系统及保护方法，其可实现对串联IGBT阀组的过压、过流、触发脉冲丢失、短路及过dv/dt故障。
本发明的次要目的，在于提供一种串联IGBT阀组保护系统及保护方法，其可实现IGBT的冗余功能。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种串联IGBT阀组保护系统，所述串联IGBT阀组包括顺序串联而成的至少两个IGBT；所述保护系统包括一个阀控制单元和与IGBT数目相同的门极驱动单元，且门极驱动单元与IGBT一一对应；所述门极驱动单元均包括门极触发电路、信号检测电路、故障检测模块、保护开放窗口获取模块和编码模块，而阀控制单元包括触发脉冲分配模块、保护逻辑处理模块和解码模块；
所述门极触发电路的输入端连接阀控制单元中的触发脉冲分配模块，根据接收的触发脉冲信号触发IGBT；
所述信号检测电路的输入端连接其所对应的IGBT的集电极，用于检测施加于该IGBT上的电压和电流信号，并送入故障检测模块进行故障判断；
所述保护开放窗口获取模块用于在一个开关周期的不同时间段内获得不同保护的开放时间窗口，并向故障检测模块输出时间窗口信号；
所述故障检测模块在不同保护的开放时间窗口内使能不同的保护，同时根据信号检测电路给的保护所需的模拟量信号，判断出各故障是否发生；
所述编码模块通过故障回报光纤连接至阀控制单元中的解码模块，将故障检测模块发出的故障信息编码后发送给解码模块；
所述解码模块将收到的编码信号解码后，发送给保护逻辑处理模块；而所述保护逻辑处理模块根据故障信息，确定采取闭锁触发脉冲进行保护或发出告警信号，并送入触发脉冲分配模块；所述触发脉冲分配模块将触发脉冲通过触发脉冲光纤送至保护开放窗口获取模块，并在收到闭锁信号时闭锁触发脉冲。
上述各门极驱动单元还包括强制触发模块，所述强制触发模块从保护开放窗口获取模块获得时间窗口信号，并接收来自信号检测电路的电压和电流信号，所述强制触发模块在强制触发的时间窗口内根据信号检测电路给出的模拟量信号，判断是否需要发出强制触发指令，当需要发出强制触发指令时，将强制触发信号同时发给门极触发电路和编码模块；所述编码模块将该强制触发信号进行编码后通过故障回报光纤发送给阀控制单元中的解码模块，而解码模块将受到的编码信号解码后，发送给保护逻辑处理模块，所述保护逻辑处理模块根据强制触发的IGBT的个数，发出告警信号或闭锁整阀的触发脉冲；所述门极触发电路根据强制触发模块的强制触发信号开通或关断其所对应的IGBT。
一种串联IGBT阀组保护方法，包括如下步骤：
（1）对触发脉冲开放不同的时间窗口，并对不同的时间窗口使能不同的类型保护；
（2）检测施加在IGBT上的电压和电流信号，并在不同的时间窗口内，将检测的信号与预先设定的故障阈值进行比较，判断该时间窗口对应的故障是否发生，若发生故障则闭锁触发脉冲。
上述保护方法还包括如下内容：采集施加在IGBT上的电压和电流信号，并在强制触发的时间窗口内判断该IGBT是否正常触发，如未正常触发则强制对该IGBT进行开通或关断操作；同时统计所述串联IGBT阀组中需强制触发的IGBT的个数，在超过阈值时闭锁整阀的触发脉冲。
采用上述方案后，本发明具有以下改进：
（1）本发明采用阀控单元对故障信息进行统一处理，避免了因单个IGBT闭锁导致其承受过电压而损坏的问题；
（2）本发明提供的强制触发功能，保证了阀组在部分IGBT丢失触发脉冲的情况下仍能够正常运行，实现了器件冗余功能；
（3）本发明提供的串联IGBT阀组故障检测方案及强制触发方案，综合了IGBT电压、电流信号和故障所发生的时间窗口，使故障检测及强制触发更加准确。
附图说明
图1是本发明中串联IGBT阀组保护系统的总体结构示意图；
图2是本发明中串联IGBT阀组保护系统的系统框图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明提供一种串联IGBT阀组保护系统，用于对串联IGBT阀组进行多种故障保护，所述串联IGBT阀组包含多个顺序连接的IGBT，且前一个IGBT的发射极连接后一个IGBT的集电极，且每个IGBT均带一个反并联的续流二极管。所述保护系统包括门极驱动单元（GDU）和阀控制单元（VCU），所述门极驱动单元的数量与该串联IGBT阀组中IGBT的数量相同并一一对应，所述各个门极驱动单元分别通过两根光纤与阀控制单元连接，一根光纤用于向门极驱动单元传输触发信号，另一根光纤用于将故障信息回报给阀控制单元。
再请参考图2，是本发明一种串联IGBT阀组保护系统的系统框图，其中，各门极驱动单元均包括门极触发电路、信号检测电路、故障检测模块、保护开放窗口获取模块和编码模块，而阀控制单元包括触发脉冲分配模块、保护逻辑处理模块和解码模块，下面分别介绍。
所述门极触发电路从阀控制单元中的触发脉冲分配模块接收触发脉冲信号，用于正常触发IGBT。
所述信号检测电路的输入端连接其所对应的IGBT的集电极，用于检测施加于该IGBT上的电压和电流信号，并送入故障检测模块进行故障判断。
所述保护开放窗口获取模块用于在一个开关周期的不同时间段内开放出不同保护的时间窗口，从而实现对故障检测模块的工作控制。
所述故障检测模块在不同保护的时间窗口内使能不同的保护，同时信号检测电路给出相应保护所需的模拟量信号，从而判断出各故障是否发生。
所述编码模块的输入端连接故障检测模块，而输出端通过故障回报光纤连接至阀控制单元中的解码模块，将故障检测模块发出的故障信息编码后发送给解码模块；所述解码模块将收到的编码信号解码后，发送给保护逻辑处理模块；而所述保护逻辑处理模块根据故障信息，确定采取闭锁触发脉冲进行保护或发出告警信号，并送入触发脉冲分配模块；所述触发脉冲分配模块将触发脉冲通过另一根光纤（触发脉冲光纤）送至保护开放窗口获取模块，并在收到闭锁信号时闭锁触发脉冲，实现保护功能。
配合上述保护系统，本发明还提供一种串联IGBT阀组保护方法，包括如下步骤：
（1）对触发脉冲开放不同的时间窗口，并对不同的时间窗口使能不同的故障类型保护；
（2）检测施加在IGBT上的电压和电流信号，并在不同的时间窗口内，将检测的信号与预先设定的故障阈值进行比较，判断该时间窗口对应的故障是否发生，若发生故障则闭锁触发脉冲。
另外，在实现上述故障保护的基础上，本发明一种串联IGBT阀组保护系统还对门极驱动单元进行改进，通过增加强制触发模块，使该保护系统具有器件冗余功能，具体来说，所述强制触发模块从保护开放窗口获取模块获得时间窗口信号，并接收来自信号检测电路的电压和电流信号，所述强制触发模块在强制触发的时间窗口内根据信号检测电路给出的模拟量信号，判断是否需要发出强制触发指令，当需要发出强制触发指令时，将强制触发信号同时发给门极触发电路和编码模块；所述编码模块将该强制触发信号进行编码后通过故障回报光纤发送给阀控制单元中的解码模块，而解码模块将受到的编码信号解码后，发送给保护逻辑处理模块，所述保护逻辑处理模块根据强制触发的IGBT的个数，发出告警信号或闭锁整阀的触发脉冲，保证阀组在部分IGBT丢失触发脉冲的情况下仍能够正常运行，实现器件冗余功能。
所述门极触发电路接收到强制触发模块的强制触发信号后，根据该强制触发信号开通或关断其所对应的未正常触发的IGBT,使其保持和触发信号同步的开通或关断，实现强制触发功能。
配合前述结构，本发明保护方法还包括如下内容：采集施加在IGBT上的电压和电流信号，并在强制触发的时间窗口内判断该IGBT是否正常触发，如未正常触发则强制对该IGBT进行开通或关断操作；同时统计所述串联IGBT阀组中需强制触发的IGBT的个数，在超过阈值时闭锁整阀的触发脉冲。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (4)
1.一种串联IGBT阀组保护系统，所述串联IGBT阀组包括顺序串联而成的至少两个IGBT；其特征在于：所述保护系统包括一个阀控制单元和与IGBT数目相同的门极驱动单元，且门极驱动单元与IGBT一一对应；所述门极驱动单元均包括门极触发电路、信号检测电路、故障检测模块、保护开放窗口获取模块和编码模块，而阀控制单元包括触发脉冲分配模块、保护逻辑处理模块和解码模块；
所述门极触发电路的输入端连接阀控制单元中的触发脉冲分配模块，根据接收的触发脉冲信号触发IGBT；
所述信号检测电路的输入端连接其所对应的IGBT的集电极，用于检测施加于该IGBT上的电压和电流信号，并送入故障检测模块进行故障判断；
所述保护开放窗口获取模块用于在一个开关周期的不同时间段内获得不同保护的开放时间窗口，并向故障检测模块输出时间窗口信号；
所述故障检测模块在不同保护的开放时间窗口内使能不同的保护，同时根据信号检测电路给出的保护所需的模拟量信号，判断出各故障是否发生；
所述编码模块的输入端连接故障检测模块，而输出端通过故障回报光纤连接至阀控制单元中的解码模块，将故障检测模块发出的故障信息编码后发送给解码模块；
所述解码模块将收到的编码信号解码后，发送给保护逻辑处理模块；而所述保护逻辑处理模块根据故障信息，确定采取闭锁触发脉冲进行保护或发出告警信号；所述触发脉冲分配模块将触发脉冲通过触发脉冲光纤送至保护开放窗口获取模块，并在收到闭锁信号时闭锁触发脉冲。
2.如权利要求1所述的一种串联IGBT阀组保护系统，其特征在于：所述各门极驱动单元还包括强制触发模块，所述强制触发模块从保护开放窗口获取模块获得时间窗口信号，并接收来自信号检测电路的电压和电流信号，所述强制触发模块在强制触发的时间窗口内根据信号检测电路给出的模拟量信号，判断是否需要发出强制触发指令，当需要发出强制触发指令时，将强制触发信号同时发给门极触发电路和编码模块；所述编码模块将该强制触发信号进行编码后通过故障回报光纤发送给阀控制单元中的解码模块，而解码模块将收到的编码信号解码后，发送给保护逻辑处理模块，所述保护逻辑处理模块根据强制触发的IGBT的个数，发出告警信号或闭锁整阀的触发脉冲；所述门极触发电路根据强制触发模块的强制触发信号开通或关断其所对应的IGBT。
3.一种串联IGBT阀组保护方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）对触发脉冲开放不同的时间窗口，并对不同的时间窗口使能不同的故障类型保护；
（2）检测施加在IGBT上的电压和电流信号，并在不同的时间窗口内，将检测的信号与预先设定的故障阈值进行比较，判断该时间窗口对应的故障是否发生，若发生故障则闭锁触发脉冲。
4.如权利要求3所述的一种串联IGBT阀组保护方法，其特征在于：所述保护方法还包括如下内容：采集施加在IGBT上的电压和电流信号，并在强制触发的时间窗口内判断该IGBT是否正常触发，并对该IGBT进行开通或关断操作；同时统计所述串联IGBT阀组中需强制触发的IGBT的个数，在超过阈值时闭锁整阀的触发脉冲。
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