CN115149939B

CN115149939B - 一种分立式高压电子装置及方法

Info

Publication number: CN115149939B
Application number: CN202211059587.4A
Authority: CN
Inventors: 曾嵘; 张松; 张良; 余占清; 陈政宇; 尚杰; 许超群; 王宗泽; 任春频; 赵彪; 屈鲁; 吴锦鹏; 刘佳鹏
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2022-09-01
Filing date: 2022-09-01
Publication date: 2023-01-06
Anticipated expiration: 2042-09-01
Also published as: CN115149939A

Abstract

本发明提供了一种分立式高压电子装置及方法，所述高压电子装置包括：第一分立模块、连接层以及第二分立模块，其中，所述第一分立模块，用于接收控制信号，并根据控制信号下发控制指令；所述第二分立模块，用于根据接收的控制指令，控制全控型器件导通或关断；所述连接层，用于将第一分立模块下发的控制指令传输给第二分立模块。本发明的分立式高压电子装置可维护性及检修操作性高。

Description

一种分立式高压电子装置及方法

技术领域

本发明属于高压电力电子器件技术领域，特别涉及一种分立式高压电子装置及方法。

背景技术

集成门极换流晶闸管IGCT( Integrated Gate-Commutated Thyrsitor)是一种全控型大功率半导体器件，兼具晶闸管半导体器件的低通压降、开通损耗以及IGBT器件的关断可控的优点，是全控型大功率电力电子器件领域发展的代表型器件。

由于IGCT采用大功率门极电流，并且要求门极杂散电感小于10nH,所以目前IGCT器件的高压电子装置设计均为一体式。由于IGCT器件的高压电子装置目前多基于一体式设计，尤其是超/特高压电流源型换流器中使用的大功率IGCT器件，要求关断电流最高达到6250A，因此，一体式的高压电子装置在实际超/特高压电流源换流器的应用中，困难较大。

因此，需要设计一种分立式高压电子装置及方法，以解决上述技术问题。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种分立式高压电子装置，所述高压电子装置包括：

第一分立模块、连接层以及第二分立模块，其中，

所述第一分立模块，用于接收控制信号，并根据控制信号下发控制指令；

所述第二分立模块，用于根据接收的控制指令，控制全控型器件导通或关断；

所述连接层，用于将第一分立模块下发的控制指令传输给第二分立模块。

进一步地，

所述第一分立模块包括第一接口区，所述第二分立模块包括第二接口区；

所述连接层连接第一接口区与第二接口区。

进一步地于，所述第一分立模块还包括外接口区以及逻辑单元，所述外接口区以及第一接口区均与逻辑单元连接。

进一步地，所述第二分立模块还包括功率单元，功率单元与第二接口区连接。

进一步地，所述功率单元包括控制器件以及电荷存储环，其中，

所述控制器件，用于控制电荷存储环中的正电荷正向流动，以实现全控型器件的导通。

进一步地，所述控制器件，还用于控制电荷存储环中的正电荷负向流动，以实现全控型器件的关断。

进一步地，所述外接口区包括信号接口，其中，

所述信号接口，用于接收控制信号并将控制信号传输给逻辑单元。

进一步地，所述控制信号为导通信号或关断信号；所述控制指令为控制触发指令或控制关断指令。

进一步地，

当控制信号为导通信号时，逻辑单元根据导通信号，下达控制触发指令；

所述控制触发指令依次通过第一接口区、连接层以及第二接口区传输至控制器件，以使控制器件控制电荷存储环中的正电荷正向流动。

进一步地，

当控制信号为关断信号时，逻辑单元根据关断信号，下达控制关断指令；

所述控制关断指令依次通过第一接口区、连接层以及第二接口区传输至控制器件控制器件，以使控制器件控制电荷存储环中的正电荷负向流动。

进一步地，所述逻辑单元还连接有取能功率区，所述取能功率区用于为逻辑单元供电。

本发明还提供一种高压电子装置的分立方法，所述分立方法包括：

利用第一分立模块，接收控制信号，并根据控制信号下发控制指令；

利用第二分立模块，接收控制指令，控制全控型器件导通或关断；

利用连接层，将第一分立模块下发的控制指令传输给第二分立模块。

进一步地，所述第一分立模块包括第一接口区，所述第二分立模块包括第二接口区；

所述连接层连接第一接口区与第二接口区。

进一步地，所述第一分立模块还包括外接口区以及逻辑单元，所述外接口区以及第一接口区均与逻辑单元连接。

本发明提供了一种分立式高压电子装置及方法，通过设置的第一分立模块以及第二分立模块，使得高压电子装置能够分立，通过设置的连接层，使得分立的第一分立模块以及第二分立模块之间能够传输信号。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明实施例的分立式高压电子装置的结构示意图。

图2示出了根据本发明实施例的第一接口区与第二接口区之间的连接示意图。

图3示出了根据本发明实施例的保护电路的电路图。

图4示出了根据本发明实施例的取能电路的电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

目前一体式的电子装置虽然可以满足门极对杂散电感的要求，但在实际超/特高压电流源换流器的应用中，遇到非常大的困难；其一是预留设计空间有限；其二是工程应用维护困难；其三是在结构上不适用基于全控器件的超/特高压电流源型换流器，即一体式设计的高压电子装置不能分立，可维护性及检修操作性低。

因此，本发明实施例提出一种分立式高压电子装置，高压电子装置包括：

第一分立模块、连接层以及第二分立模块，其中，

第一分立模块，用于接收控制信号（控制信号为导通信号、关断信号或稳态信号），并根据控制信号下发控制指令（控制指令为控制触发指令或控制关断指令）；

第二分立模块，用于根据接收的控制指令，控制全控型器件导通或关断；

连接层，用于将第一分立模块下发的控制指令传输给第二分立模块。

下面对进行一个详细地说明。

如图1所示的，第一分立模块包括第一接口区，第二分立模块包括第二接口区。

第一分立模块还包括外接口区以及逻辑单元，外接口区以及第一接口区均与逻辑单元连接，其中：

第二分立模块还包括功率单元，功率单元与第二接口区连接，其中，功率单元包括控制器件以及电荷存储环，其中：

控制器件，用于控制电荷存储环中的正电荷正向流动，以实现全控型器件的导通。

控制器件，还用于控制电荷存储环中的正电荷负向流动，以实现全控型器件的关断。

本实施例中，全控型器件包括但不限于为IGCT器件,本实施例中以IGCT器件为示例进行说明。

在本实施例中，如图2所示的，连接层连接第一接口区与第二接口区，其中，连接层包括第一连接层（连接层1）、第二连接层（连接层2）、第三连接层（连接层3）以及第四连接层（连接层4）；第一连接层、第二连接层、第三连接层以及第四连接层的设置，能使逻辑单元下发的控制指令（包括但不限于为控制触发指令、控制关断指令以及稳态注入指令）传输给第二分立模块。

外接口区还包括信号接口，其中，信号接口，用于接收控制信号并将控制信号传输给逻辑单元。

本实施例中，信号接口可为光纤接口，可连接光纤，通过光纤传输的控制信号可通过信号接口传输给逻辑单元，具体的：

通过光纤传输的控制信号为导通信号时，导通信号能通过信号接口传输给逻辑单元，逻辑单元根据导通信号，下达控制触发指令；

通过光纤传输的控制信号为关断信号时，关断信号能通过信号接口传输给逻辑单元，逻辑单元根据关断信号，下达控制关断指令；

通过光纤传输的控制信号为稳态信号时，稳态信号能通过信号接口传输给逻辑单元，逻辑单元根据稳态信号，下达稳态注入指令；

控制触发、控制关断以及稳态注入各指令的主要完成过程如下：

控制触发主要完成过程：控制触发指令依次通过第一接口区、连接层以及第二接口区传输至控制器件，以使控制器件控制电荷存储环中的正电荷正向流动，从而触发IGCT器件的门-阴极，实现载流子的注入（即此时IGCT器件导通）。

控制关断主要完成过程：逻辑单元下达控制关断指令时，控制关断指令依次通过第一接口区、连接层以及第二接口区传输至控制器件控制器件，以使控制器件控制电荷存储环中的正电荷负向流动，从而抽取IGCT器件的门-阴极之间的载流子（即此时IGCT器件关断）。

稳态注入主要完成过程：在IGCT器件导通后，逻辑单元下达稳态注入指令（信号），稳态注入信号会依次通过第一接口区、连接层以及第二接口区传输至控制器件控制器件，控制器件可根据传输的稳态注入信号，控制电荷存储环中的正电荷正向的稳定流动，从而实现IGCT器件的门-阴极之间形成正电荷的稳定流动。

另外，本实施例中，逻辑单元还能实时（在线）监测IGCT器件是否产生故障，即逻辑单元能检测IGCT器件的阴极与阳极之间的电压、电流，逻辑单元能将检测到的IGCT器件的阴极与阳极之间电压值、电流值通过信号接口和光纤输出（根据输出的电压值以及电流值，即可判断IGCT器件是否正常工作）。

另一方面，本发明还提供一种高压电子装置的分立方法，所述分立方法包括：

本实施例中的一种高压电子装置的分立方法中的各步骤实现的功能及方式与上述一种分立式高压电子装置中的各部分部件实现的功能及方式相同，在这里不再做赘述。

另外，在本实施例中，外接口区还包含接口A和接口B，接口A和接口B之间连接一个保护电路。

所述逻辑单元还连接有取能功率区，取能功率区用于为逻辑单元供电。取能功率区设有取能电路。

下面对保护电路以及取能电路进行详细的说明。

保护电路包括：

阻尼支路以及抑制支路；

阻尼支路用于在IGCT的关断瞬间，转移电流源型换流器的主支路电流，其中，IGCT包括但不限于为IGCT，本发明以IGCT为示例进行说明；

抑制支路用于在IGCT的关断瞬间，抑制IGCT的两端（IGCT的阳极和阴极之间的）电压。

下面进行详细的说明。

如图3所示的，电流源型换流器的主支路电流流过IGCT，由于IGCT关断瞬间，能量（主支路电流）会转移到阻尼支路中，并且此时阻尼支路会流入浪涌电流（浪涌电流过大会导致IGCT过压击穿）。因此，为了抑制IGCT两端的电压以及保护保护电路后端的高压电子装置，保护设置了抑制支路。

在本实施例中，对于阻尼支路，具体的，阻尼支路包括串联的电阻Rs以及电容Cs，电容Cs的一端连接在IGCT的阳极，电阻Rs的一端连接在电容Cs的另一端。

在本实施例中，对于抑制支路而言，抑制支路的一端连接在电容Cs的另一端，抑制支路的另一端连接在IGCT的阴极，具体的：

抑制支路包括晶闸管SCR1、电阻R1、电阻R2、瞬态二极管TVS1以及金属氧化物压敏电阻MOVs，其中，

晶闸管SCR1的阳极连接在电容Cs的另一端，晶闸管SCR1的阴极连接在IGCT的阴极；

瞬态二极管TVS1的阴极连接在晶闸管SCR1的阳极，瞬态二极管TVS1的阴极的阳极连接在电阻R2的一端；

电阻R2的另一端连接在瞬态二极管TVS1的阴极；

电阻R1的一端连接在电阻R2的一端，电阻R1的另一端连接在晶闸管SCR1的控制极；

金属氧化物压敏电阻MOVs的两端分别连接在晶闸管SCR1的阳极和阴极。

当阻尼支路通过浪涌电流时，电阻Rs两端电压升高，瞬态二极管TVS1首先被导通，从而触发晶闸管SCR1（浪涌电流就会主要流过晶闸管SCR1），金属氧化物压敏电阻MOVs作为后备保护，起到了抑制IGCT两端的电压以及保护高压电子装置的作用。

在本实施例中电阻Rs的另一端（即图3的A端）连接在上述高压电子装置中的外接口区的A接口，晶闸管SCR1的阴极（即图3中的B端）连接在上述高压电子装置的中外接口区的B接口。

本发明中的保护装置还包括取能电路，取能电路与保护电路连接。由于IGCT采用大功率门极控制电流，所以要求取能电路采用大功率供电的方式为高压电子装置供电。其中，对于取能电路，具体的：

取能电路包括第一控制支路、第二控制支路、防反流支路以及储能支路。下面进行详细的说明。

第一控制支路的两端分别连接在电阻Rs的另一端以及IGCT的阴极；

第二控制支路与第一控制支路并联；

防反流支路的一端连接在第二控制支路的一端；

储能支路的一端连接在防反流支路的另一端，储能支路的另一端连接在第二控制支路的另一端。

如图4所示的，对于第一控制支路，具体的：

第一控制支路包括二极管D1，二极管D1的阴极（图4中的A端）和阳极（图4中的B端）分别连接在接口A以及接口B上。

对于第二控制支路，具体的：

第二控制支路包括晶闸管SCR2、电阻R3、电阻R4和瞬态二极管TVS2，具体的：

晶闸管SCR2的阳极连接在二极管D1的阴极，晶闸管SCR2的阴极连接在二极管D1的阳极；

电阻R3的一端连接在晶闸管SCR2的控制极，电阻R3的另一端连接在瞬态二极管TVS2的阳极；

电阻R4的一端连接在二极管D1的阳极，电阻R4的另一端连接在瞬态二极管TVS2的阳极；

瞬态二极管TVS2的阴极连接在二极管D1的阴极。

当电压（二极管D2的两端电压）超过瞬态二极管TVS2的动作电压（导通电压）后，瞬态二极管TVS2导通，瞬态二极管TVS2与电阻R4所在的支路也导通，从而使电阻R3两端有电压并能触发晶闸管SCR2开通，能使晶闸管SCR2流过大电流（调节电阻R3的大小，可限制瞬态二极管TVS2流过电流大小）。

对于防反流支路，具体的：

防反流支路包括二极管D2，二极管D2的阳极连接在晶闸管SCR2的阳极，二极管D2的阴极连接在储能支路的储能支路的一端。

对于储能支路，具体的：

储能支路包括电容Cp，电容Cp的一端连接在二极管D2的阴极，电容Cp的另一端连接在晶闸管SCR2的阴极。

逻辑单元的电源直接在电容Cp的两端（图4中的Vc-K 两端之间）取得（二极管D2可防止电容Cp放电时电流反向流通），而取能电路通过二极管D1的阴极（即图4中的A端）与接口A连接，二极管D1的阳极极（即图4中的B端）与接口B连接，从而能从整个保护电路获得能量为逻辑单元供电。

当A端到B端之间dv/dt大于0时，电容Cp充电，当A端到B端之间dv/dt小于0时，二极管D1导通，阻尼支路处于正常工况（正常工况包括IGCT正常导通）下。由于保护电路的存在，高压电子装置的取能部分可以采用电子功率器件，即本实施例中的取能电路中的所有电气元件都可以采用小功率的电气元件，从而减小了取能电路的体积。

本发明通过分立式高压电子装置、保护电路以及取能电路，组成了电流源型换流器，本发明的整个电流源型换流器是基于全控器件的电流源型换流器，可广泛用于超/特高压电流源型换流器，基于全控型器件的电流源换流器，将逐步替代半控型电流源换流器，成为新型电力系统的建设不可或缺的一种大功率换流器。本发明的设计思想也能全面有效地推动我国在超/特高压输电领域的技术进步和发展。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种分立式高压电子装置，其特征在于，所述高压电子装置包括：

第一分立模块、连接层以及第二分立模块，其中，

所述第二分立模块，用于根据接收的控制指令，控制全控型器件导通或关断，其中，全控型器件包括为IGCT器件，所述第二分立模块包括功率单元，所述功率单元包括控制器件以及电荷存储环，其中，所述控制器件，用于控制电荷存储环中的正电荷正向流动，以实现全控型器件的导通，所述控制器件，还用于控制电荷存储环中的正电荷负向流动，从而抽取IGCT器件的门-阴极之间的载流子，以实现全控型器件的关断；

2.根据权利要求1所述的一种分立式高压电子装置，其特征在于，

所述连接层连接第一接口区与第二接口区。

3.根据权利要求2所述的一种分立式高压电子装置，其特征在于，所述第一分立模块还包括外接口区以及逻辑单元，所述外接口区以及第一接口区均与逻辑单元连接。

4.根据权利要求3所述的一种分立式高压电子装置，其特征在于，功率单元与第二接口区连接。

5.根据权利要求4所述的一种分立式高压电子装置，其特征在于，所述外接口区包括信号接口，其中，

6.根据权利要求5所述的一种分立式高压电子装置，其特征在于，所述控制信号为导通信号或关断信号；所述控制指令为控制触发指令或控制关断指令。

7.根据权利要求6所述的一种分立式高压电子装置，其特征在于，

8.根据权利要求6所述的一种分立式高压电子装置，其特征在于，

9.根据权利要求3-8任一项所述的一种分立式高压电子装置，其特征在于，所述逻辑单元还连接有取能功率区，所述取能功率区用于为逻辑单元供电。

10.一种高压电子装置的分立方法，其特征在于，所述分立方法包括：

利用第二分立模块，接收控制指令，控制全控型器件导通或关断，其中，全控型器件包括为IGCT器件，所述第二分立模块包括功率单元，所述功率单元包括控制器件以及电荷存储环，其中，所述控制器件，用于控制电荷存储环中的正电荷正向流动，以实现全控型器件的导通，所述控制器件，还用于控制电荷存储环中的正电荷负向流动，从而抽取IGCT器件的门-阴极之间的载流子，以实现全控型器件的关断；

11.根据权利要求10所述的一种高压电子装置的分立方法，其特征在于，所述第一分立模块包括第一接口区，所述第二分立模块包括第二接口区；

所述连接层连接第一接口区与第二接口区。

12.根据权利要求11所述的一种高压电子装置的分立方法，其特征在于，所述第一分立模块还包括外接口区以及逻辑单元，所述外接口区以及第一接口区均与逻辑单元连接。

13.根据权利要求12所述的一种高压电子装置的分立方法，其特征在于，功率单元与第二接口区连接。