[發明專利]一種IGBT串聯閥觸發監控系統及其通信方法

有效

• 申請號: 201110425019.7
• 申請日: 2011-12-16
• 公開（公告）號: CN102427353A
• 公開（公告）日: 2012-04-25
• 發明（設計）人: 溫家良;韓健;王志霞;蔚泉清;陳中圓;吳銳;賈娜;王成昊;高學敏
• 申請（專利權）人: 中國電力科學研究院
• 主分類號: H03K17/567
• 分類號: H03K17/567
• 代理公司: 北京安博達知識產權代理有限公司 11271
• 代理人: 徐國文

技術領域

本發明屬于電力電子及電力系統領域，具體涉及一種IGBT串聯閥觸發監控系統及其通信方法。

背景技術

20世紀80年代中期出現的半導體電力開關器件——絕緣柵雙極型功率管IGBT(Insulated?Gate?Biploar?Transistor)是一種復合器件，它的輸入控制部分為MOSFET管，輸出級為雙極結型晶體管，兼有MOSFET管和電力晶體管的優點：高輸入阻抗，電壓控制，驅動功率小，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，安全工作區較寬，但是由于單只IGBT器件所能承受的電壓優先，很難滿足高壓、大功率領域的需求。為了提高IGBT應用的電壓等級，通常采用IGBT串聯的方法。隨著電力電子技術在電力系統中應用的逐步推廣，基于IGBT串聯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，例如電壓源換流器型直流輸電系統VSC-HVDC(Voltage?Vource?Converter?Based?HVDC)、靜止同步補償器STATCOM(Static?Synchronous?Compensator)、統一潮流控制器UPFC(Unified?Power?Flow?Controller)等。

IGBT的串聯結構要求閥中所有IGBT的開通和關斷嚴格同步，否則提前關斷或延遲開通的器件將會承受過電壓，造成器件損壞。為實現IGBT的同步開通、關斷，必須在閥控制器和IGBT門極驅動單元之間增加一個閥基電子設備，將閥控制器產生的觸發控制信號同步分配給閥中的各個IGBT。另外，IGBT門極驅動單元直接連接并安裝在IGBT上，處于高壓側，而閥基電子設備處于地電位側，應考慮兩者之間信息的傳遞。

常用的IGBT驅動方式是將脈沖寬度調制PWM觸發信號經過必要的整形放大處理直連到IGBT的門極。PWM信號的特點本身決定了它只包含開通和關斷兩種觸發控制信息，且表現為連續的高低電平交替變換。這就決定了這種PWM通信方式，線路是以較高的開銷來傳輸非常低的信息量，造成通信效率低和線路損耗大。在高壓IGBT串聯閥中，除了閥觸發脈沖分配環節要向IGBT驅動單元傳輸PWM開通和關斷信號外，IGBT驅動單元還需要向閥觸發脈沖傳輸IGBT的工作狀態回報信號，狀態回報信號包含IGBT是否處于過壓、過dv/dt、正電壓丟失和短路故障等信息，這就要考慮信號的傳輸。通過增加通信線路數，將各種待傳信號按照并行方式進行傳輸，可以解決此問題，但在高壓大功率應用領域中，每個串聯閥對應一個閥基電子設備，而每個串聯閥包含的IGBT數量則較多，如300kV換流器中串聯閥通常包括上百只IGBT的串聯，且每只IGBT對應一個驅動單元。單純依靠增加線路數來提高通信信息容量會導致設備間線路連接數量增多、接口電路規模龐大以及線路成本上升。

發明內容

本發明的目的是針對設備間線路連接數量增多、接口電路規模龐大以及線路成本上升問題，提出供一種IGBT串聯閥觸發監控系統及針對這種監控系統提出的觸發及狀態回報信號的通信方法。該通信方法將各種狀態回報信號按照一定的規則進行編碼，在一條線路上完成分時傳輸。由于IGBT各種故障出現的時間不同，采用這種通信方法在增加了通信信息量的同時，不會影響通信的實時性，并可提高通信效率，降低線路損耗。其通信方法的原理主要是根據IGBT在工作時每個開關周期中過壓和過dv/dt故障、正電壓丟失故障和短路故障等出現的不同位置以及各種故障不會同時出現，根據故障出現的時間將每個IGBT開關周期劃分為若干個工作時段，在各工作時段進行相應的故障檢測，并將故障檢測信息作為狀態回報信號通過同一根光纖分時傳輸。

本發明的目的是采用下述技術方案實現的：

一種IGBT串聯閥觸發監控系統，其改進之處在于，所述監控系統包括閥基電子設備VBE、IGBT驅動單元；所述閥基電子設備和IGBT驅動單元通過光纖連接；所述IGBT驅動單元與絕緣雙極型功率管IGBT電氣連接。

本發明提供的一種優選的技術方案是：所述閥基電子設備VBE包括編碼模塊、解碼模塊、光發射器和光接收器；所述編碼模塊和解碼模塊通過FPGA控制電路實現。

本發明提供的第二優選的技術方案是：所述IGBT驅動單元包括光接收器、光發射器、解碼模塊、觸發電路、狀態檢測模塊和保護狀態回報模塊；所述光發射器和光接收器通過光纖分別與閥基電子設備的光接收器和光發射器連接；所述解碼模塊、狀態檢測模塊和保護狀態回報模塊通過FPGA控制電路實現。