專利名稱：一種新的igbt高壓串聯(lián)閥控制與監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電力電子、電力系統(tǒng)領域，具體涉及一種新的IGBT高壓串聯(lián)閥控制與 監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術：
20世紀80年代中期出現(xiàn)的半導體電力開關器件——絕緣柵雙極型晶體管 IGBT (InsulatedGate Biploar Transistor)是一種復合器件，它的輸入控制部分為 M0SFET，輸出級為雙極結(jié)型晶體管，兼有MOSFET和電力晶體管的優(yōu)點高輸入阻抗，電壓控 制，驅(qū)動功率小，開關速度快，工作頻率可達10 40kHz，飽和壓降低，電壓、電流容量較大， 安全工作區(qū)較寬。但是IGBT的缺點在于單個IGBT的電壓、電流允許值很難再提高，為了應 用于高電壓、大功率的領域，通常采用IGBT串聯(lián)的方法。隨著電力電子技術在電力系統(tǒng)中應用的逐步推廣，基于IGBT串聯(lián)均壓技術的高 壓閥正在成為各種新型大功率電力電子裝置的核心部件。例如VSC-HVDC、STATCOM、UPFC 等。在這些場合中，由于串聯(lián)的IGBT器件運行的頻率較高，開關速度較快，很容易在串聯(lián)的 IGBT器件中產(chǎn)生電壓不平衡的情況，而高電壓、大功率的應用領域決定了一旦出現(xiàn)嚴重的 電壓不平衡，串聯(lián)的IGBT將不可避免的出現(xiàn)失效甚至損壞。而串聯(lián)的IGBT出現(xiàn)斷路失效 后，反過來又會損壞這些大功率電力電子裝置，造成嚴重的經(jīng)濟損失。IGBT屬于門級電壓全控型器件，而傳統(tǒng)的晶閘管屬于門極電流半控型器件，同時 IGBT高壓串聯(lián)閥的工作頻率高達上千赫茲，而晶閘管高壓串聯(lián)閥工作頻率一般為50赫茲， 因此IGBT高壓串聯(lián)閥在實現(xiàn)電壓和其它參數(shù)的平衡化方面存在較大的技術差異，與晶閘 管高壓串聯(lián)閥不同的是，IGBT高壓串聯(lián)閥不僅需要實現(xiàn)電壓平衡化，還需要特殊考慮損耗 平衡化，而電壓平衡化也不能僅僅采用阻尼強迫均壓，其電壓和損耗平衡化需要采用主動 調(diào)整技術，即調(diào)整門極輸入電壓，實現(xiàn)電壓和損耗的平衡化。正是由于以上原因，傳統(tǒng)的晶閘管高壓串聯(lián)閥的觸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)主要完成晶閘管觸 發(fā)和狀態(tài)監(jiān)測，而沒有實現(xiàn)晶閘管均壓的功能；而IGBT高壓串聯(lián)閥控制監(jiān)測系統(tǒng)不僅要完 成IGBT的開通、關斷及狀態(tài)監(jiān)測功能，還需要完成IGBT級電壓和損耗的平衡化調(diào)節(jié)，因此， 傳統(tǒng)的晶閘管高壓串聯(lián)閥觸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)已不能滿足IGBT高壓串聯(lián)閥的需要，必須IGBT高 壓串聯(lián)閥的控制監(jiān)測系統(tǒng)進行重新設計。在通常的測量與控制系統(tǒng)中，控制信號和數(shù)據(jù)信號一般使用電纜線傳輸。在強電 磁場環(huán)境中，例如高壓、大功率的IGBT串聯(lián)閥中，控制信號和數(shù)據(jù)很容易受到干擾，嚴重影 響系統(tǒng)性能。在高共模電壓和與強電相關的測量與控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的隔離方法隔離度不 高，強電部分很容易對弱電部分產(chǎn)生干擾，甚至對弱電部分的電路造成損壞，導致系統(tǒng)性能 不穩(wěn)定。電纜線的傳輸損耗大，導致傳輸距離不遠，質(zhì)量大，影響系統(tǒng)機動性等。采用高速 光纖信號傳輸技術可以很好的解決這些問題。目前國內(nèi)外尚未見到類似的有關對于基于電壓損耗雙平衡化策略IGBT串聯(lián)的技 術專利。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種新型的IGBT高壓串聯(lián)閥控制監(jiān)測系統(tǒng)方案，滿足了 IGBT開通、 關斷、電壓損耗平衡化控制、閥狀態(tài)監(jiān)測等各項功能，采用四通道光纖傳輸系統(tǒng)，為IGBT串 聯(lián)應用的實用化指出了一條嶄新的技術路徑。IGBT高壓串聯(lián)閥控制監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示，它主要包括IGBT門極電路，閥控 制監(jiān)測單元及光纖傳輸系統(tǒng)三部分組成。絕緣柵雙極型晶體管IGBT門極電路，閥控制監(jiān)測單元及光纖傳輸系統(tǒng)三部分組 成；IGBT高壓串聯(lián)閥中的每一個絕緣柵雙極型晶體管IGBT都有一個獨立的IGBT門極電 路，每一個IGBT門極電路都通過四條光纖和IGBT閥控制監(jiān)測單元相連接，整個IGBT高壓 串聯(lián)閥還有一條獨立光纖和閥控制監(jiān)測單元連接，上述所有光纖組成光纖傳輸系統(tǒng)，閥控 制監(jiān)測單元通過光纖傳輸系統(tǒng)和IGBT門極電路互相發(fā)送、接收信號；其中每個IGBT的門極電路與控制監(jiān)測單元之間有四條光纖通道，其中兩條為高 速模擬信號傳輸通道，兩條為高速數(shù)字信號傳輸通道，高速模擬信號光纖通道一用于IGBT 級電壓狀態(tài)的實時監(jiān)測，高速模擬信號傳輸通道二用于閥控制監(jiān)測單元向門極電路發(fā)送經(jīng) 過電壓和損耗平衡化算法優(yōu)化后IGBT級集-射極參考電壓信號，高速數(shù)字信號光纖通道一 用于門極電路工作狀態(tài)實時監(jiān)測，高速數(shù)字信號光纖通道二用于閥控制監(jiān)測單元向門極電 路發(fā)送開通和關斷命令；每個IGBT高壓串聯(lián)閥中還設置一個閥電流檢測單元，并通過一條獨立的模擬信 號光纖通道向閥控制監(jiān)測單元實時傳送閥電流信號，用于閥控制監(jiān)測單元中IGBT級之間 損耗的平衡和優(yōu)化計算；IGBT的外圍電路主要包括電容、電阻和集電極電壓嵌位電路，分別用于實現(xiàn)動態(tài)、 靜態(tài)均壓和集電極過電壓保護，同時還和門極電路配合實現(xiàn)取能和動態(tài)電壓測量的功能， IGBT的門極電路內(nèi)部主要包括取能單元、門極電壓嵌位單元、門極控制驅(qū)動單元、IGBT級 電壓檢測與輸出單元、門極電路狀態(tài)編碼與輸出單元、過電壓與dv/dt保護單元、故障電流 保護單元、門極電路故障保護單元、門極參考電壓輸入與設置單元以及開通關斷命令接受 單元等，取能回路從阻尼回路中量取電能，供門極電路工作，所述門極電壓嵌位單元主要實 現(xiàn)門極過電壓保護，所述門極控制驅(qū)動單元主要向IGBT門極發(fā)送電壓觸發(fā)信號，實現(xiàn)IGBT 的觸發(fā)、關斷，IGBT級電壓檢測與輸出單元對IGBT級電壓監(jiān)測，將狀態(tài)發(fā)送給IGBT輸出單 元，若監(jiān)測到故障，則發(fā)送給故障處理單元，故障處理單元實現(xiàn)包括過電壓保護性開通、過 電流保護性關斷的功能，它通過光纖接收來自控制監(jiān)測單元的IGBT級集-射極參考電壓調(diào) 整信號和觸發(fā)與關斷命令，另一方面，向控制監(jiān)測單元返回實際IGBT級電壓動態(tài)數(shù)據(jù)及門 極電路和IGBT級工作狀態(tài)編碼；上述的系統(tǒng)，包括以下功能單元IGBT級電壓信號接收單元、門極電路狀態(tài)檢測 單元、IGBT級參考電壓輸出單元、IGBT開通和關斷命令輸出與分配單元、電壓和損耗平衡 化算法單元、閥電流檢測單元和人工設置參考電壓單元等，用于完成以下的功能(1) IGBT級電壓信號接收單元接收來自IGBT門極單元的IGBT級電壓，對IGBT級 電壓實時監(jiān)測；(2)門極電路狀態(tài)檢測單元接收來自門極單元的工作狀態(tài)編碼信號，對門極電路及IGBT級的工作狀態(tài)實時監(jiān)測；(3)閥電流檢測單元接收來自閥電流傳感器的電流信號，實現(xiàn)對IGBT高壓串聯(lián)閥 電流的實時監(jiān)測；(4)對IGBT級的電壓和損耗進行優(yōu)化計算，進而調(diào)整IGBT級集-射極電壓參考電 壓，并向每個IGBT級門極電路傳送，實現(xiàn)電壓和損耗的平衡化運行；(5)人工設置參考電壓單元實現(xiàn)手動調(diào)整IGBT級集-射極參考電壓的設置；(6)接收來自上級控制保護系統(tǒng)的命令，處理后形成每個閥的開通和關斷命令，并 通過光纖傳輸系統(tǒng)分配輸出至每個IGBT級，觸發(fā)IGBT ；(7)實時向上級控制保護單元傳送IGBT高壓串聯(lián)閥和閥控制保護單元的狀態(tài)。本發(fā)明的有益效果是1、IGBT高壓串聯(lián)閥觸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)整體方案完備；2、門極電路和閥控制監(jiān)測單元功能設計完備；3、采用電壓損耗雙平衡化算法實現(xiàn)閥運行性能的優(yōu)化；4、采用四通道光纖系統(tǒng)實現(xiàn)IGBT級運行監(jiān)控。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明。圖1是依據(jù)本發(fā)明的IGBT高壓串聯(lián)閥控制監(jiān)測系統(tǒng)總體方案的結(jié)構示意圖；圖2是依據(jù)本發(fā)明的IGBT門極電路功能框圖及其外圍電路的結(jié)構示意圖；圖3示出了是依據(jù)本發(fā)明的IGBT高壓串聯(lián)閥控制監(jiān)測單元功能框圖示意圖。
具體實施例方式IGBT高壓串聯(lián)閥控制監(jiān)測系統(tǒng)框圖如圖1所示，它主要包括IGBT門極電路，閥控 制監(jiān)測單元及光纖傳輸系統(tǒng)三部分。光纖傳輸系統(tǒng)由兩部分組成每個IGBT級和控制監(jiān)測單元的四通道光纖(兩條高 速模擬信號光纖通道，兩條高速數(shù)字信號光纖通道)；每個串聯(lián)閥與控制檢測單元的一條 獨立模擬信號光纖通道。每個IGBT的門極電路與控制監(jiān)測單元之間用四條光纖通道實現(xiàn)信息交互，其中 兩條為高速模擬信號傳輸通道，兩條為高速數(shù)字信號傳輸通道。一條高速模擬信號光纖通 道用于IGBT級電壓狀態(tài)的實時監(jiān)測，另一條高速模擬信號傳輸通道用于閥控制監(jiān)測單元 向門極電路發(fā)送IGBT級集-射極參考電壓信號，一條高速數(shù)字信號光纖通道用于門極電路 工作狀態(tài)實時監(jiān)測，另一條高速數(shù)字信號光纖通道用于向門極電路發(fā)送開通和關斷命令。另外，每個串聯(lián)閥中還設置一個閥電流檢測單元，檢測閥電流信號后通過一條獨 立的模擬信號光纖通道向閥控制監(jiān)測單元實時傳送。IGBT門極控制電路及其外圍電路如圖2所示，主要包括外圍電路和門極電路。門 極電路內(nèi)部又主要包括=IGBT/ 二極管級電壓檢測單元，取能單元，門極電路工作狀態(tài)檢測 單元，狀態(tài)輸出單元，故障處理單元，IGBT級電壓信號設置單元，開通/關斷命令處理單元 和門極控制驅(qū)動單元。外圍電路主要有電容、電阻和集電極電壓嵌位電路構成。電阻電容用于實現(xiàn)動態(tài)、靜態(tài)均壓，集電極電壓鉗位電路用于集電極過電壓保護。外圍電路同時還和門極電路配合 實現(xiàn)取能和動靜態(tài)電壓測量的功能。門極電路內(nèi)部各單元的功能分別如下。取能單元從IGBT的阻尼回路(RC回路) 中量取電壓，供門極電路工作。IGBT/ 二極管電壓檢測單元檢測IGBT和二級管的電壓信息 并送往輸出單元，如果電壓異常則還需將信息送往故障處理單元。門極電路工作狀態(tài)檢測 單元檢測門極電路工作情況，并把工作狀態(tài)信號傳送給故障處理單元和狀態(tài)輸出單元。狀 態(tài)輸出單元對門極驅(qū)動電路工作狀態(tài)信息進行編碼，再通過高速數(shù)字信號光纖通道發(fā)送給 閥控制檢測單元。dv/dt保護單元、故障電流保護單元用于實現(xiàn)IGBT過電壓保護性開通、 過電流保護性關斷等功能。故障處理單元接受其它各單元送來的故障信息，做出相應的處 理，并把處理結(jié)果送往門極控制驅(qū)動單元。IGBT級電壓設置單元接受由高速模擬信號傳輸 通道傳輸?shù)模瑏碜钥刂票O(jiān)測單元的IGBT級集-射極參考電壓調(diào)整信號，并根據(jù)IGBT級電壓 檢測單元檢測的IGBT級電壓信息，設置相應的集_射極參考電壓信號，送往門極控制驅(qū)動 單元。開通/關斷命令處理單元接收高速數(shù)字信號光纖通道傳輸?shù)?，來自控制監(jiān)測單元的 觸發(fā)與關斷命令，轉(zhuǎn)換成相應的電信號，送往門極控制驅(qū)動單元。門極控制驅(qū)動單元綜合以 上各種信息，形成驅(qū)動信號，送往IGBT門極，驅(qū)動IGBT工作。IGBT高壓串聯(lián)閥控制監(jiān)測單元系統(tǒng)框圖如圖3所示。它通過四通道光纖傳輸系統(tǒng) 和IGBT門極電路相連接。IGBT級電壓信號接收單元接受來自IGBT門極電路的IGBT級電壓，對IGBT級電壓 實時監(jiān)測。門極電路狀態(tài)檢測單元接受來自門極電路的工作狀態(tài)編碼信號，用于對門極電 路及IGBT級的工作狀態(tài)實時監(jiān)測。IGBT級參考電壓輸出單元通過高速模擬信號光纖通道 和IGBT門極電路相接，向IGBT級實時發(fā)送IGBT級集-射極參考電壓信號。IGBT開通和關 斷命令輸出與分配單元接收來自上級控制保護系統(tǒng)的命令，處理后形成每個閥的開通和關 斷命令，并分配輸出至每個IGBT級。電壓和損耗平衡化算法單元對IGBT級的電壓和損耗 進行優(yōu)化計算，進而調(diào)整IGBT級集-射極參考電壓，并向每個IGBT級門極電路傳送，實現(xiàn) 電壓和損耗的平衡化運行。人工設置參考電壓單元實現(xiàn)人工設置IGBT級集-射極參考電 壓功能。閥電流檢測單元接收來自閥電流傳感器的電流信號，實現(xiàn)閥電流的實時監(jiān)測等。此處已經(jīng)根據(jù)特定的示例性實施例對本發(fā)明進行了描述。對本領域的技術人員來 說在不脫離本發(fā)明的范圍下進行適當?shù)奶鎿Q或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅 是例證性的，而不是對本發(fā)明的范圍的限制，本發(fā)明的范圍由所附的權利要求定義。
權利要求
一種新的IGBT高壓串聯(lián)閥控制與監(jiān)測系統(tǒng)，包括絕緣柵雙極型晶體管IGBT門極電路，閥控制監(jiān)測單元及光纖傳輸系統(tǒng)三部分組成；IGBT高壓串聯(lián)閥中的每一個絕緣柵雙極型晶體管IGBT都有一個獨立的IGBT門極電路，每一個IGBT門極電路都通過四條光纖和IGBT閥控制監(jiān)測單元相連接，整個IGBT高壓串聯(lián)閥還有一條獨立光纖和閥控制監(jiān)測單元連接，上述所有光纖組成光纖傳輸系統(tǒng)，閥控制監(jiān)測單元通過光纖傳輸系統(tǒng)和IGBT門極電路互相發(fā)送、接收信號；其中每個IGBT的門極電路與控制監(jiān)測單元之間有四條光纖通道，其中兩條為高速模擬信號傳輸通道，兩條為高速數(shù)字信號傳輸通道，高速模擬信號光纖通道一用于IGBT級電壓狀態(tài)的實時監(jiān)測，高速模擬信號傳輸通道二用于閥控制監(jiān)測單元向門極電路發(fā)送經(jīng)過電壓和損耗平衡化算法優(yōu)化后IGBT級集-射極參考電壓信號，高速數(shù)字信號光纖通道一用于門極電路工作狀態(tài)實時監(jiān)測，高速數(shù)字信號光纖通道二用于閥控制監(jiān)測單元向門極電路發(fā)送開通和關斷命令；每個IGBT高壓串聯(lián)閥中還設置一個閥電流檢測單元，并通過一條獨立的模擬信號光纖通道向閥控制監(jiān)測單元實時傳送閥電流信號，用于閥控制監(jiān)測單元中IGBT級之間損耗的平衡和優(yōu)化計算；IGBT的外圍電路主要包括電容、電阻和集電極電壓嵌位電路，分別用于實現(xiàn)動態(tài)、靜態(tài)均壓和集電極過電壓保護，同時還和門極電路配合實現(xiàn)取能和動態(tài)電壓測量的功能，IGBT的門極電路內(nèi)部主要包括取能單元、門極電壓嵌位單元、門極控制驅(qū)動單元、IGBT級電壓檢測與輸出單元、門極電路狀態(tài)編碼與輸出單元、過電壓與dv/dt保護單元、故障電流保護單元、門極電路故障保護單元、門極參考電壓輸入與設置單元以及開通關斷命令接受單元等，取能回路從阻尼回路中量取電能，供門極電路工作，所述門極電壓嵌位單元主要實現(xiàn)門極過電壓保護，所述門極控制驅(qū)動單元主要向IGBT門極發(fā)送電壓觸發(fā)信號，實現(xiàn)IGBT的觸發(fā)、關斷，IGBT級電壓檢測與輸出單元對IGBT級電壓監(jiān)測，將狀態(tài)發(fā)送給IGBT輸出單元，若監(jiān)測到故障，則發(fā)送給故障處理單元，故障處理單元實現(xiàn)包括過電壓保護性開通、過電流保護性關斷的功能，它通過光纖接收來自控制監(jiān)測單元的IGBT級集-射極參考電壓調(diào)整信號和觸發(fā)與關斷命令，另一方面，向控制監(jiān)測單元返回實際IGBT級電壓動態(tài)數(shù)據(jù)及門極電路和IGBT級工作狀態(tài)編碼。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于包括以下功能單元IGBT級電壓信號接收單 元、門極電路狀態(tài)檢測單元、IGBT級參考電壓輸出單元、IGBT開通和關斷命令輸出與分配 單元、電壓和損耗平衡化算法單元、閥電流檢測單元和人工設置參考電壓單元等，用于完成 以下的功能(1)IGBT級電壓信號接收單元接收來自IGBT門極單元的IGBT級電壓，對IGBT級電壓 實時監(jiān)測；(2)門極電路狀態(tài)檢測單元接收來自門極單元的工作狀態(tài)編碼信號，對門極電路及 IGBT級的工作狀態(tài)實時監(jiān)測；(3)閥電流檢測單元接收來自閥電流傳感器的電流信號，實現(xiàn)對IGBT高壓串聯(lián)閥電流 的實時監(jiān)測；(4)對IGBT級的電壓和損耗進行優(yōu)化計算，進而調(diào)整IGBT級集-射極電壓參考電壓， 并向每個IGBT級門極電路傳送，實現(xiàn)電壓和損耗的平衡化運行；(5)人工設置參考電壓單元實現(xiàn)手動調(diào)整IGBT級集-射極參考電壓的設置；(6)接收來自上級控制保護系統(tǒng)的命令，處理后形成每個閥的開通和關斷命令，并通過 光纖傳輸系統(tǒng)分配輸出至每個IGBT級，觸發(fā)IGBT ；(7)實時向上級控制保護單元傳送IGBT高壓串聯(lián)閥和閥控制保護單元的狀態(tài)。全文摘要
本發(fā)明屬于電力電子、電力系統(tǒng)領域，提供了一種新型的IGBT高壓串聯(lián)閥控制監(jiān)測系統(tǒng)方案，滿足了IGBT開通、關斷、電壓損耗平衡化控制、閥狀態(tài)監(jiān)測等各項功能，采用四通道光纖傳輸系統(tǒng)，為IGBT串聯(lián)應用的實用化指出了一條嶄新的技術路徑。
文檔編號H03K17/567GK101888229SQ20101018995
公開日2010年11月17日 申請日期2010年5月25日 優(yōu)先權日2010年5月25日
發(fā)明者于坤山, 吳銳, 溫家良, 荊平 申請人:中國電力科學研究院