專利名稱：一種新型igbt高壓串聯(lián)閥控制與監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的IGBT高壓串聯(lián)閥控制監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)的半導(dǎo)體電力開關(guān)器件——絕緣柵雙極型晶體管 IGBTdnsulated Gate Biploar ^Transistor)是一種復(fù)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(guān)速度快，工作頻率可達(dá)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(yīng) 用于高電壓、大功率的領(lǐng)域，通常采用IGBT串聯(lián)的方法。隨著電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的逐步推廣，基于IGBT串聯(lián)均壓技術(shù)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(guān)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(yīng)用領(lǐng)域決定了一旦出現(xiàn)嚴(yán)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(yán)重的經(jīng)濟(jì)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(dá)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(shù)差異，電壓平 衡化不能僅僅采用阻尼強(qiáng)迫均壓，其電壓平衡化需要采用主動調(diào)整技術(shù)，即調(diào)整門極輸入 電壓，實現(xiàn)電壓的平衡化。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(guān)斷及狀態(tài)監(jiān)測功能，還需要完成IGBT級電壓平衡化調(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(jìn)行重新設(shè)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(qiáng)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(yán)重影 響系統(tǒng)性能。在高共模電壓和與強(qiáng)電相關(guān)的測量與控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的隔離方法隔離度不 高，強(qiáng)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(dǎo)致系統(tǒng)性能 不穩(wěn)定。電纜線的傳輸損耗大，導(dǎo)致傳輸距離不遠(yuǎn)，質(zhì)量大，影響系統(tǒng)機(jī)動性等。采用高速 光纖信號傳輸技術(shù)可以很好的解決這些問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種新型的IGBT高壓串聯(lián)閥控制監(jiān)測系統(tǒng)方案，滿足了 IGBT開通、 關(guān)斷、電壓平衡化控制、閥狀態(tài)監(jiān)測等各項功能的需要，采用雙通道光纖傳輸系統(tǒng)，為IGBT串聯(lián)應(yīng)用的實用化指出了一條嶄新的技術(shù)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。本發(fā)明的一種絕緣柵雙極型晶體管IGBT高壓串聯(lián)閥控制監(jiān)測系統(tǒng)，包括IGBT門 極電路、閥控制監(jiān)測單元及光纖傳輸系統(tǒng)，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門極電路都通過光纖傳輸系統(tǒng)中的兩 條光纖和IGBT閥控制監(jiān)測單元相連接，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；所述每個IGBT的門極電路與控制監(jiān)測單元之間用兩條光纖通道實現(xiàn)信息交互， 這兩條光纖通道為高速數(shù)字信號傳輸通道，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(guān)斷命令；IGBT門極控制電路及其外圍電路包括外圍電路和門極電路；所述外圍電路包括電容、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(hù)，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；所述IGBT的門極電路包括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，門極狀態(tài)輸出單元，故障處理單元，人工設(shè)置參考電壓功能單元，開通/ 關(guān)斷命令處理單元和門極控制驅(qū)動單元，所述取能單元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用于實現(xiàn)門極過電壓保護(hù)，所述門極控制驅(qū)動單元向IGBT 門極發(fā)送電壓觸發(fā)信號，實現(xiàn)IGBT的觸發(fā)、關(guān)斷，IGBT級電壓檢測單元對IGBT級電壓監(jiān)測， 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(hù)性開通、過電流 保護(hù)性關(guān)斷的功能，人工設(shè)置參考電壓單元實現(xiàn)人工設(shè)置IGBT級集-射極參考電壓功能， 它通過光纖接收來自控制監(jiān)測單元的IGBT觸發(fā)與關(guān)斷命令，另一方面，向控制監(jiān)測單元返 回門極電路和IGBT級工作狀態(tài)編碼。其中，閥控制監(jiān)測系統(tǒng)包括以下功能單元門極電路狀態(tài)輸入單元、IGBT開通和 關(guān)斷命令產(chǎn)生單元、IGBT開通和關(guān)斷命令分配單元、IGBT開通和關(guān)斷命令輸出單元.解碼 電路、IGBT開通和關(guān)斷命令分配單元、IGBT閥控狀態(tài)監(jiān)測單元及IGBT閥控狀態(tài)處理單元， 用于完成以下的功能(1)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；(2)接收來自上級控制保護(hù)系統(tǒng)的命令，處理后形成每個閥的開通和關(guān)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 ；(3)實時向上級控制保護(hù)單元傳送IGBT高壓串聯(lián)閥和閥控制保護(hù)單元的狀態(tài)。本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明的IGBT高壓串聯(lián)閥觸發(fā)監(jiān)測系統(tǒng)整體方案完備；2、本發(fā)明的門極電路和閥控制監(jiān)測單元功能設(shè)計完備；3、本發(fā)明的系統(tǒng)采用雙通道光纖系統(tǒng)實現(xiàn)IGBT級運行監(jiān)控。


圖1為IGBT高壓串聯(lián)閥控制監(jiān)測系統(tǒng)總體方案的結(jié)構(gòu)示意圖；4
圖2為IGBT門極電路功能框圖及其外圍電路的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為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。每個IGBT的門極電路與控制監(jiān)測單元之間用兩條光纖通道實現(xiàn)信息交互，這兩 條光纖通道為高速數(shù)字信號傳輸通道。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(guān)斷命令。IGBT門極控制電路及其外圍電路如圖2所示，包括外圍電路和門極電路。IGBT的外圍電路包括電容、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(hù)，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，門極狀態(tài)輸出單元，故障處理單元，人工設(shè)置參考電壓功能單元，開通/ 關(guān)斷命令處理單元和門極控制驅(qū)動單元，連接方式如圖2所示，所述取能單元從阻尼回路 中量取電能，供門極電路工作，所述門極電壓嵌位單元用于實現(xiàn)門極過電壓保護(hù)，所述門極 控制驅(qū)動單元向IGBT門極發(fā)送電壓觸發(fā)信號，實現(xiàn)IGBT的觸發(fā)、關(guān)斷，IGBT級電壓檢測單 元對IGBT級電壓監(jiān)測，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(hù)性開通、過電流保護(hù)性關(guān)斷的功能，人工設(shè)置參考電壓單元實現(xiàn)人工設(shè)置IGBT級 集-射極參考電壓功能。它通過光纖接收來自控制監(jiān)測單元的IGBT觸發(fā)與關(guān)斷命令，另一 方面，向控制監(jiān)測單元返回門極電路和IGBT級工作狀態(tài)編碼。IGBT高壓串聯(lián)閥控制監(jiān)測單元系統(tǒng)框圖如圖3所示。它通過雙通道光纖傳輸系統(tǒng) 和IGBT門極電路相連接。IGBT高壓串聯(lián)閥控制監(jiān)測系統(tǒng)包括以下功能單元門極電路狀態(tài)輸入單元、IGBT 開通和關(guān)斷命令產(chǎn)生單元、IGBT開通和關(guān)斷命令分配單元、IGBT開通和關(guān)斷命令輸出單 元、解碼電路、IGBT閥控狀態(tài)監(jiān)控單元、IGBT閥控狀態(tài)監(jiān)測單元及IGBT閥控狀態(tài)處理單元， 連接方式如圖3所示。門極電路狀態(tài)輸入單元接受IGBT門極控制單元的反饋信息經(jīng)過解 碼傳遞給IGBT閥狀態(tài)監(jiān)控單元，再由IGBT閥控狀態(tài)處理單元傳遞給控制保護(hù)系統(tǒng)；控制保 護(hù)系統(tǒng)將控制信息傳遞給GBT開通和關(guān)斷命令產(chǎn)生單元，再經(jīng)IGBT開通和關(guān)斷命令分配單 元和輸出單元傳遞給IGBT門極控制單元。IGBT閥控狀態(tài)監(jiān)控單元實時監(jiān)控IGBT閥狀態(tài)， 當(dāng)IGBT閥出現(xiàn)故障時發(fā)出閉鎖信號令I(lǐng)GBT閥停止工作，當(dāng)IGBT閥恢復(fù)正常是發(fā)出解鎖信 號令I(lǐng)GBT閥恢復(fù)工作。此處已經(jīng)根據(jù)特定的示例性實施例對本發(fā)明進(jìn)行了描述。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來 說在不脫離本發(fā)明的范圍下進(jìn)行適當(dāng)?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(quán)利要求定義。
權(quán)利要求
1.一種絕緣柵雙極型晶體管IGBT高壓串聯(lián)閥控制監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于包括IGBT門極電路、閥控制監(jiān)測單元及光纖傳輸系統(tǒng)，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門極電路都通過光纖 傳輸系統(tǒng)中的兩條光纖和IGBT閥控制監(jiān)測單元相連接，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；所述每個IGBT的門極電路與控制監(jiān)測單元之間用兩條光纖通道實現(xiàn)信息交互，這兩 條光纖通道為高速數(shù)字信號傳輸通道，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(guān)斷命令；IGBT門極控制電路及其外圍電路包括外圍電路和門極電路；所述外圍電路包括電容、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(hù)，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；所述IGBT的門極電路包括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，門極狀態(tài)輸出單元，故障處理單元，人工設(shè)置參考電壓功能單元，開通/關(guān)斷 命令處理單元和門極控制驅(qū)動單元，所述取能單元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用于實現(xiàn)門極過電壓保護(hù)，所述門極控制驅(qū)動單元向IGBT門極 發(fā)送電壓觸發(fā)信號，實現(xiàn)IGBT的觸發(fā)、關(guān)斷，IGBT級電壓檢測單元對IGBT級電壓監(jiān)測，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(hù)性開通、過電流保 護(hù)性關(guān)斷的功能，人工設(shè)置參考電壓單元實現(xiàn)人工設(shè)置IGBT級集-射極參考電壓功能，它 通過光纖接收來自控制監(jiān)測單元的IGBT觸發(fā)與關(guān)斷命令，另一方面，向控制監(jiān)測單元返回 門極電路和IGBT級工作狀態(tài)編碼。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于閥控制監(jiān)測系統(tǒng)包括以下功能單元門極電 路狀態(tài)輸入單元、IGBT開通和關(guān)斷命令產(chǎn)生單元、IGBT開通和關(guān)斷命令分配單元、IGBT開 通和關(guān)斷命令輸出單元、解碼電路、IGBT開通和關(guān)斷命令分配單元、IGBT閥控狀態(tài)監(jiān)測單 元及IGBT閥控狀態(tài)處理單元，用于完成以下的功能(1)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；(2)接收來自上級控制保護(hù)系統(tǒng)的命令，處理后形成每個閥的開通和關(guān)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 ；(3)實時向上級控制保護(hù)單元傳送IGBT高壓串聯(lián)閥和閥控制保護(hù)單元的狀態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的IGBT高壓串聯(lián)閥控制監(jiān)測系統(tǒng)。包括IGBT門極電路、閥控制監(jiān)測單元及光纖傳輸系統(tǒng)，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門極電路都通過光纖傳輸系統(tǒng)中的兩條光纖和IGBT閥控制監(jiān)測單元相連接，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。滿足了IGBT開通、關(guān)斷、電壓平衡化控制、閥狀態(tài)監(jiān)測等各項功能的需要。
文檔編號H02M1/32GK102045049SQ20101051729
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月18日
發(fā)明者溫家良 申請人:中國電力科學(xué)研究院