WO2011147055A1 - 一种igbt高压串联阀控制与监测系统 - Google Patents

Description

一种 IGBT高压串联阀控制与监测系统 技术领域

本发明属于电力电子、 电力系统领域， 具体涉及一种新的 IGBT高压串联阀控制与监测系 统。 - 背景技术 .

20世纪 80年代中期出现的半导体电力开关器件——绝缘栅双极型晶体管 IGBT(Insulated Gate Biploar Transistor)是一种复合器件， 它的输入控制部分为 MOSFET, 输出级为双极结型 晶体管， 兼有 MOSFET和电力晶体管的优点： 高输入阻抗, 电压控制， 驱动 ¾率小， 开关速 度快， 工作频率可达 10~40kHz， 饱和压降低， 电压、 电流容量较大， 安全工作区较宽。 但是 IGBT的缺点在于单个 IGBT的电压、 电流允许值很难再提高， 为了应用于高电压、 大功率的 领域， 通常采用 IGBT串联的方法。

随着电力电子技术在电力系统中应用的逐步推广，基于 IGBT串联均压技术的高压阀正在 成为各种新型大功率电力电子装置的核心部件。 例如 VSC-HVDC、 STATCOM、 UPFC 等。 在这些场合中，由于串联的 IGBT器件运行的频率较高，开关速度较快，很容易在串联的 IGBT 器件中产生电压不平衡的情况， 而高电压、 大功率的应用领域决定了一旦出现严重的电压不 平衡， 串联的 IGBT将不可避免的出现失效甚至损坏。 而串联的 IGBT出现断路失效后， 反 过來又会损坏这些大功率电力电子装置， 造成严重的经济损失。

IGBT属于门级电压全控型器件， 而传统的晶闸管属于门极电流半控型器件， 同时 IGBT 高压串联阀的工作频率高达上千赫兹， 而晶闸管高压串联阀工作频率一般为 50赫兹， 因此 IGBT高压串联阀在实现电压和其它参数的平衡化方面存在较大的技术差异，与晶闸管高压串 联阀不同的是， IGBT高压串联阀不仅需要实现电压平衡化， 还需要特殊考虑损耗平衡化， 而 电压平衡化也不能仅仅采用阻尼强迫均压， 其电压和损耗平衡化需要采用主动调整技术， 即 调整门极输入电压， 实现电压和损耗的平衡化。

正是由于以上原因， 传统的晶闸管高压串联阔的触发监测系统主要完成晶闸管触发和状 态监测， 而没有实现晶闸管均压的功能； 而 IGBT高压串联阀控制监测系统不仅要完成 IGBT 的开通、 关断及状态监测功能， 还需要完成 IGBT级电压和损耗的平衡化调节， 因此， 传统 的晶闸管高压串联阀触发监测系统已不能满足 IGBT高压串联阀的需要， 必须 IGBT髙压串 联阀的控制监测系统进行重新设计。 在通常的测量与控制系统中， 控制信号和数据信号一般使用电缆线传输。 在强电磁场环 境中， 例如高压、 大功率的 IGBT 串联阀中， 控制信号和数据很容易受到干扰， 严重影响系 统性能。 在高共模电压和与强电相关的测量与控制系统中， 传统的隔离方法隔离度不高， 强 电部分很容易对弱电部分产生干扰， 甚至对弱电部分的电路造成损坏， 导致系统性能不稳定。 电缆线的传输损耗大， 导致传输距离不远， 质量大， 影响系统机动性等。 采用高速光纤信号 传输技术可以很好的解决这些问题。

目前国内外尚未见到类似的有关对于基于电压损耗双平衡化策略 IGBT串联的技术专禾 U。 发明内容

本发明提出了一种新型的 IGBT高压串联阀控制监测系统方案，满足了 IGBT开通、关断、 电压损耗平衡化控制、 阀状态监测等各项功能， 采用四通道光纤传输系统， 为 IGBT 串联应 用的实用化指出了一条崭新的技术路径。

IGBT高压串联阀控制监测系统框图如图 1所示， 它主要包括 IGBT门极电路， 阀控制监测 单元及光纤传输系统三部分组成。

绝缘栅双极型晶体管 IGBT门极电路， 阀控制监测单元及光纤传输系统三部分组成； IGBT 高压串联阀中的每一个绝缘栅双极型晶体管 IGBT都有一个独立的 IGBT门极电路，每一个 IGBT 门极电路都通过四条光纤和 IGBT阀控制监测单元相连接， 整个 IGBT高压串联阀还有一条独 立光纤和阀控制监测单元连接， 上述所有光纤组成光纤传输系统， 阀控制监测单元通过光纤 传输系统和 IGBT门极电路互相发送、 接收信号；

其中每个 IGBT的门极电路与控制监测单元之间有四条光纤通道， 其中两条为高速模拟信 号传输通道， 两条为高速数字信号传输通道， 高速模拟信号光纤通道一用于 IGBT级电压状态 的实时监测， 高速模拟信号传输通道二用于阀控制监测单元向门极电路发送经过电压和损耗 平衡化算法优化后 IGBT级集-射极参考电压信号， 高速数字信号光纤通道一甩于门极电路工 作状态实时监测， 高速数字信号光纤通道二用于阔控制监测单元向门极电路发送开通和关断 命令； '

每个 iGBT高压串联阀中还设置一个阀电流检测单元， 并通过一条独立的模拟信号光纤通 道向阀控制监测单元实时传送阀电流信号，用于阅控制监测单元中 IGBT级之间损耗的平衡和 优化计算；

IGBT 的外围电路主要包括电容、 电阻和集电极电压嵌位电路， 分别用于实现动态、 静态 均压和集电极过电压保护， 同时还和门极电路配合实现取能和动态电压测量的功能， IGBT的 门极电路内部主要包括取能单元、 门极电压嵌位单元、 门 控制驱动单元、 IGBT级电压检测 与输出单元、 门极电路状态编码与输出单元、 过电压与 dv/dt保护单元、 故障电流保护单元、 门极电路故障保护单元、 门极参考电压输入与设置单元以及开通关断命令接受单元等， 取能 回路从阻尼回路中量取电能， 供门极电路工作， 所述门极电压嵌位单元主要实现门极过电压 保护， 所述门极控制驱动单元主要向 IGBT门极发送电压触发信号， 实现 IGBT的触发、 关断， IGBT级电压检测与输出单元对 IGBT级电压监测， 将状态发送给 IGBT输出单元， 若监测到故 障， 则发送给故障处理单元， 故障处理单元实现包括过电压保护性开通、 过电流保护性关断 的功能， 它通过光纤接收来自控制监测单元的 IGBT级集-射极参考电压调整信号和触发与关 断命令， 另一方面， 向控制监测单元返回实际 IGBT级电压动态数据及门极电路和 IGBT级工 作状态编码；

上述的系统， 包括以下功能单元： IGBT级电压信号接收单元、 门极电路状态检测单元、 IGBT级参考电压输出单元、 IGBT开通和关断命令输出与分配单元、 电压和损耗平衡化算法单 元、 阀电流检测单元和人工设置参考电压单元等， 用于完成以下的功能：

( 1 ) IGBT级电压信号接收单元接收来自 IGBT门极单元的 IGBT级电压， 对 IGBT级电压 实时监测；

( 2 )门极电路状态检测单元接收来自门极单元的工作状态编码信号， 对门极电路及 IGBT 级的工作状态实时监测；

( 3 ) 阀电流检测单元接收来自阔电流传感器的电流信号， 实现对 IGBT高压串联阀电流 的实时监测；

(4) 对 IGBT级的电压和损耗进行优化计算， 进而调華 IGBT级集-射极电压参考电压， 并向每个 IGBT级门极电路传送， 实现电压和损耗的平衡化运行；

( 5 ) 人工设置参考电压单元实现手动调整 IGBT级集-射极参考电压的设置；

( 6) 接收来自上级控制保护系统的命令， 处理后形成每个阀的开通和关断命令， 并通过 光纤传输系统分配输出至每个 IGBT级， 触发 IGBT;

( 7 ) 实时向上级控制保护单元传送 IGBT高压串联阀和阀控制保护单元的状态。

本发明的有益效果是：

1、 IGBT高压串联阀触发监测系统整体方案完备；

2、 门极电路和阀控制监测单元功能设计完备；

3、 采用电压损耗双平衡化算法实现阀运行性能的优化；

4、 采用四通道光纤系统实现 IGBT级运行监控。 附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图 1是依据本发明的 IGBT高压串联阀控制监测系统总体方案的结构示意图；

图 2 是依据本发明的 IGBT门极电路功能框图及其外围电路的结构示意图；

图 3示出了是依据本发明的 IGBT高压串联阀控制监测单元功能框图示意图。 具体实施方式

IGBT高压串联阀控制监测系统框图如图 1所示， 它主要包括 IGBT门极电路， 阀控制监测 单元及光纤传输系统三部分。 ' 光纤传输系统由两部分组成： 每个 IGBT级和控制监测单元的四通道光纤（两条高速模拟 信号光纤通道， 两条高速数字信号光纤通道）； 每个串联阔与控制检测单元的一条独立模拟信 号光纤通道。

每个 IGBT的门极电路与控制监测单元之间用四条光纤通道实现信息交互， 其中两条为高 速模拟信号传输通道， 两条为高速数字信号传输通道。 一条高速模拟信号光纤通道用于 IGBT 级电压状态的实时监测， 另一条高速模拟信号传输通道用于阀控制监测单元向门极电路发送 IGBT级集-射极参考电压信号， 一条高速数字信号光纤通道用于门极电路工作状态实时监测， 另一条高速数字信号光纤通道用于向门极电路发送开通和关断命令。

另外， 每个串联阀中还设置一个阔电流检测单元， 检测阀电流信号后通过一条独立的模 •拟信号光纤通道向阀控制监测单元实时传送。

IGBT门极控制电路及其外围电路如图 2所示， 主要包括： 外围电路和门极电路。 门极电 路内部又主要包括： IGBT/二极管级电压检测单元， 取能单元， 门极电路工作状态检测单元， 状态输出单元， 故障处理单元， IGBT 级电压信号设置单元， 开通 /关断命令处理单元和门极 控制驱动单元。

外围电路主要有电容、 电阻和集电极电压嵌位电路构成。 电阻电容用于实现动态、 静态 均压， 集电极电压钳位电路用于集电极过电压保护。 外围电路同时还和门极电路配合实现取 能和动静态电压测量的功能。 '

门极电路内部各单元的功能分别如下。 取能单元从 IGBT的阻尼回路（RC回路）中量取电 压， 供门极电路工作。 IGBT/二极管电压检测单元检测 IGBT和二级管的电压信息并送往输出 单元， 如果电压异常则还需将信息送往故障处理单元。 门极电路工作状态检测单元检测门极 电路工作情况， 并把工作状态信号传送给故障处理单元和状态输出单元。 状态输出单元对门 极驱动电路工作状态信息进行编码， 再通过高速数字信号光纤通道发送给阀控制检测单元。 dv/dt保护单元、 故障电流保护单元用于实现 IGBT过电压保护性开通、 过电流保护性关断等 功能。 故障处理单元接受其它各单元送来的故障信息， 做出相应的处理， 并把处理结果送往 门极控制驱动单元。 IGBT级电压设置单元接受由高速模拟信号传输通道传输的， 来自控制监 测单元的 IGBT级集 -射极参考电压调整信号， 并根据 IGBT级电压检测单元检测的 IGBT级电 压信息， 设置相应的集-射极参考电压信号， 送往门极控制驱动单元。 开通. /关断命令处理单 元接收高速数字信号光纤通道传输的， 来自控制监测单元的触发与关断命令， 转换成相应的 电信号， 送往门极控制驱动单元。 门极控制驱动单元综合以上各种信息， 形成驱动信号， 送 往 IGBT门极， 驱动 IGBT工作。

IGBT高压串联阀控制监测单元系统框图如图 3所示。它通过四通道光纤传输系统和 IGBT 门极电路相连接。

IGBT级电压信号接收单元接受来自 IGBT门极电路的 IGBT级电压， 对 IGBT级电压实时 监测。门极电路状态检测单元接受来自门极电路的工作状态编码信号，用于对门极电路及 IGBT 级的工作状态实时监测。 IGBT级参考电压输出单元通过高速模拟信号光纤通道和 IGBT门极 电路相接， 向 IGBT级实时发送 IGBT级集-射极参考电压信号。 IGBT开通和关断命令输出与 分配单元接收来自上级控制保护系统的命令， 处理后形成每个阀的开通和关断命令， 并分配 输出至每个 IGBT级。 电压和损耗平衡化算法单元对 IGBT级的电压和损耗进行优化计算， 进 而调整 IGBT级集-射极参考电压， 并向每个 IGBT级门极电路传送， 实现电压和损耗的平衡化 运行。 人工设置参考电压单元实现人工设置 IGBT级集-射极参考电压功能。 阀电流检测单元 接收来自阀电流传感器的电流信号， 实现阀电流的实时监测等。

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

权 利 要 求

1、 一种新的 IGBT高压串联阀控制与监测系统， 其特征在于该系统包括：

绝缘栅双极型晶体管 IGBT门极电路， 阀控制监测单元及光纤传输系统三部分组成； IGBT 高压串联阀中的每一个绝缘栅双极型晶体管 IGBT都有一个独立的 IGBT门极电路，每一个 IGBT 门极电路都通过四条光纤和 IGBT阀控制监测单元相连接， 整个 IGBT高压串联阔还有一条独 立光纤和阀控制监测单元连接， 上述所有光纤组成光纤传输系统， 阀控制监测单元通过光纤 传输系统和 IGBT门极电路互相发送、 接收信号；

其中每个 IGBT的门极电路与控制监测单元之间有四条光纤通道， 其中两条为高速模拟信 号传输通道， 两条为高速数字信号传输通道， 高速模拟信号光纤通道一用于 IGBT级电压状态 的实时监测， 高速模拟信号传输通道二用于阀控制监测单元向门极电路发送经过电压和椟耗 平衡化算法优化后 IGBT级集-射极参考电压信号， 高速数字信号光纤通道一用于门极电路工 作状态实时监测， 高速数字信号光纤通道二用于阀控制监测单元向门极电路发送开通和关断 命令；

每个 IGBT高压串联阀中还设置一个阀电流检测单元， 并通过一条独立的模拟信号光纤通 道向阀控制监测单元实时传送阔电流信号，用于阀控制监测单元中 IGBT级之间损耗的平衡和 优化计算；

IGBT的外围电路主要包括电容、 电阻和集电极电压嵌位电路， 分别用于实现动态、 静态 均压和集电极过电压保护， 同时还和门极电路配合实现取能和动态电压测量的功能， IGBT的 门极电路内部主要包括取能单元、 门极电压嵌位单元、 门极控制驱动单元、 IGFT级电压检测 与输出单元、 门极电路状态编码与输出单元、 过电压与 dv/dt保护单元、 故障电流保护单元、 门极电路故障保护单元、 门极参考电压输入与设置单元以及开通关断命令接受单元等， 取能 回路从阻尼回路中量取电能， 供门极电路工作， 所述门极电压嵌位单元主要实现门极过电压 保护， 所述门极控制驱动单元主要向 IGBT门极发送电压触发信号， 实现 IGBT的触发、 关断， IGBT级电压检测与输出单元对 IGBT级电压监测， 将状态发送给 IGBT输出单元， 若监测到故 障， 则发送给故障处理单元， 故障处理单元实现包括过电压保护性开通、 过电流保护性关断 的功能， 它通过光纤接收来自控制监测单元的 IGBT级集-射极参考电压调整信号和触发与关 断命令， 另一方面， 向控制监测单元返回实际 IGBT级电压动态数据及门极电路和 IGBT级工 作状态编码。 -

2、如权利要求 1所述的系统，其特征在于包括以下功能单元： IGBT级电压信号接收单元、 元、 门极电路状态检测单元、 IGBT级参考电压输出单元、 IGBT开通和关断命令输出与分配单 元、 电压和损耗平衡化算法单元、 阀电流检测单元和人工设置参考电压―单元等， 用于完成以 下的功能：

( 1 ) IGBT级电压信号接收单元接收来自 IGBT门极单元的 IGBT级电压， 对 IGBT级电压 实时监测；

( 2 )门极电路状态检测单元接收来自门极单元的工作状态编码信号， 对门极电路及 IGBT 级的工作状态实时监测；

( 3 ) 阀电流检测单元接收来自阀电流传感器的电流信号， 实现对 IGBT 高压串联阀电流 的实时监测；

(4 ) 对 IGBT级的电压和损耗进行优化计算， 进而调整 IGBT级集-射极电压参考电压， 并向每个 IGBT级门极电路传送， 实现电压和损耗的平衡化运行； '

( 5 ) 人工设置参考电压单元实现手动调整 IGBT级集-射极参考电压的设置；

(6) 接收来自上级控制保护系统的命令， 处理后形成每个阀的开通和关断命令， 并通过 光纤传输系统分配输出至每个 IGBT级， 触发 IGBT;

( 7 ) 实时向上级控制保护单元传送 IGBT高压串联阀和阀控制保护单元的状态。