CN108111007A - 一种功率模块冗余取能电路及控制方法 - Google Patents

一种功率模块冗余取能电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种功率模块冗余取能电路，功率模块包括至少一个功率半导体器件、第一电容C1、第一旁路开关K1；本发明冗余取能电路包括第一稳压管VD1、第二稳压管VD2、第二开关K2、第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2、电源板卡和控制板卡；电源板卡从电容C1上获取能量，并向控制板卡提供电源，向电容C2充电；控制板卡通过触发开关K2来控制旁路开关K1的合闸。本发明方案在电源板卡故障时，利用第一稳压管的击穿特性为电容C2充电，利用第二稳压管的击穿特性为开关K2提供触发命令，实现电源板卡故障情况下旁路开关的可靠旁路，避免了功率模块电源板卡故障条件下的设备停运，方案成本低，可靠性高。

Description

一种功率模块冗余取能电路及控制方法
技术领域
本发明属于电力电子领域，特别涉及一种功率模块冗余取能电路及控制方法。
背景技术
电压源型换流器技术是一种以可关断器件IGBT(绝缘栅双极晶体管)和脉宽调制(PWM)技术为基础的新型换流技术。在低压应用场合，由IGBT构成的两电平换流器得到了广泛的应用，为解决其换流器输出电压高频跃变，由此带来设备dv/dt应力大、***损耗大、噪声高和电磁环境严酷等问题，三电平电压源换流器被提出，在电压等级和容量上扩展了电压源型换流器的应用场合。
随着模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的出现，多电平换流器在柔性直流输电领域也得到了成功的应用，电压等级达到数百千伏，容量达到数千兆。
电压源型换流器由大量功率模块串联而成，当功率模块发生故障时闭合旁路开关，将故障单元切除，***不停运。然而，功率模块内部的取能板卡如果出现故障，则控制板卡无法正常工作，且旁路开关的触发回路不能工作，因此功率模块无法成功旁路，致使***停运。因此，如何提高功率模块的取能可靠性，保证旁路开关的可靠合闸，成为提高电压源型换流器成套设备可靠性的关键技术因素。
发明专利CN201710228027.X提出了一种多电平换流器子模块旁路开关自触发电路，利用旁路开关两端电压给旁路开关的电容充电，从而提供旁路开关的合闸能量。其电路实质是旁路开关电容Cc串联电阻R1后与子模块电容Csm并联，而旁路开关电容容值一般为数百微法，子模块电容Csm一般为数毫法至十几毫法，因此难以保证旁路开关电容充电至额定值和子模块电容不过压两者兼顾；进一步的，如果子模块取能电源发生故障，则子模块控制板也不能工作，无法提供旁路开关合闸命令；在该种情况下如果采用所述常闭点K2串入旁路开关电容与触点控制线圈回路，则会造成旁路开关电容被短路，无法充电。因此采用该方案，在子模块取能电源故障时存在子模块电容过压损坏和旁路开关无法合闸的风险。
鉴于以上分析，本发明人提出一种功率模块冗余取能电路及控制方法，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种功率模块冗余取能电路及控制方法。本发明用于电压源型换流器，可以在换流器功率模块取能板卡发生故障时，提供另外一条取能路径，并确保功率模块的旁路开关可靠合闸，减小***停运的概率，在经济性和技术性上均有较好表现。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种功率模块冗余取能电路，所述功率模块包括至少一个功率半导体器件、第一电容C1、第一旁路开关K1；所述取能电路包括第一稳压管VD1、第二稳压管VD2、第二开关K2、第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2、电源板卡和控制板卡；所述第一稳压管VD1的阳极与第一电容C1的正极相连，阴极串入第一电阻R1后与第二电容C2的正极相连，第二电容C2的负极与电容C1的负极相连；所述第二稳压管VD2的阳极与第一电容C1的正极相连，负极与第二电阻R2相连，第二电阻R2的另一端与第一电容C1的负极相连；所述第一旁路开关K1并联在功率模块的x1端子和x2端子之间；所述电源板卡从电容C1上获取能量，并向控制板卡提供电源以及向第二电容C2充电；所述控制板卡通过触发第二开关K2来控制第一旁路开关K1的合闸。
进一步地，所述电路还包括第三开关K3，其一端与第一稳压管VD1的阴极相连，另一端与第一电阻R1相连；所述第三开关K3在电源板卡不工作时处于闭合状态，在电源板卡正常工作时处于分断状态。
进一步地，所述的功率模块取能电路中的电源板卡可以为隔离型电源板卡，所述隔离型电源板卡包含隔离变压器，变压器的原、副边电路不共地，所述模块取能电路还包括第四开关K4，所述第四开关K4串联在第二电容C2负极与第一电容C1的负极之间，在电源板卡不工作时处于闭合状态，在电源板卡正常工作时处于分断状态。
进一步地，其中所述功率模块包含至少两个功率半导体器件，功率半导体器件为半桥连接形式。
进一步地，其中所述功率模块包含至少四个功率半导体器件，功率半导体器件为全桥连接形式。
进一步地，其中所述第一旁路开关K1具有合闸后机械保持功能，在断电后旁路开关能够保持合闸状态；所述第一旁路开关K1的合闸信号来自第二电容C2的放电。
进一步地：所述第二、三、四开关，可以是机械开关或继电器，也可以是电子开关，如晶闸管、IGBT、IGCT、GTO或MOSFET；所述第二、三、四开关的触发信号来自电源板卡或控制板卡。
本发明还公开了一种功率模块冗余取能电路的控制方法，
(1)当功率模块启动时，发生故障需要旁路时，包含如下步骤；
步骤1：初始状态为第一旁路开关K1分断，第二开关K2分断，第三开关K3闭合
步骤2：功率模块中的第一电容C1开始充电；
步骤3：判断电源板卡是否工作正常；
步骤4：如电源板卡工作正常，则控制板卡发出合第二开关K2的指令，第二电容C2放电，触发第一旁路开关K1合闸；
步骤5：如电源板卡工作不正常，则第一电容C1继续充电；
步骤6：当电容电压达到第一稳压管VD1的第一阈值Vc1时，第一稳压管VD1击穿；
步骤7：第一电容C1通过第一稳压管VD1、第三开关K3、第一电阻R1为第二电容C2充电；
步骤8：第一电容C1继续充电，当第一电容C1上电容电压达到第二稳压管VD2的第二阈值Vc2时，第二稳压管VD2击穿；
步骤9：触发第二开关K2合闸，第二电容C2放电，触发第一旁路开关K1合闸。
(2)当功率模块正常工作，发生故障需要旁路时，包含如下步骤；
步骤1：初始状态为第一旁路开关K1分断，第二开关K2分断，第三开关K3分断
步骤2：检测到功率模块故障，闭锁所有开关模块的驱动命令；
步骤3：控制板卡发出合第二开关K2指令，触发第一旁路开关K1合闸；
步骤4：如合闸成功，则流程终止；若合闸不成功，则执行以下流程；
步骤5：第一电容C1继续充电，判断电源板卡工作是否正常，如电源板卡正常，当电容电压达到第二稳压管VD2的第二阈值Vc2时，第二稳压管VD2击穿；
步骤6：触发第二开关K2合闸，第二电容C2放电，触发第一旁路开关K1合闸；
步骤7：判断电源板卡工作不正常，闭合第三开关K3，第一电容C1继续充电，当电容电压达到第一稳压管VD1的第一阈值Vc1时，第一稳压管VD1击穿；
步骤8：第一电容C1继续充电，当电容电压达到第二稳压管VD2的第二阈值Vc2时，第二稳压管VD2击穿；
步骤9：触发第二开关K2合闸，第二电容C2放电，触发第一旁路开关K1合闸。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的功率模块冗余取能电路，在功率模块启动且发生取能板卡故障，通过冗余取能电路可以为旁路开关的合闸回路储能，保证旁路开关有足够的合闸能量；
(2)所述功率模块冗余取能电路，在控制板卡故障时，通过电容电压的升高击穿稳压管触发旁路开关的合闸命令；
(3)所述功率模块冗余取能电路，在旁路开关合闸失败后，仍然可以通过电容电压的升高，再次为旁路开关的合闸回路储能，随后触发旁路开关的合闸命令；
(4)所述功率模块冗余取能电路，在旁路开关的合闸回路储能，合闸命令触发两方面均提供了双重化的配置，旁路成功的可靠性提升，避免了开关模块、电容在过电压条件下损坏，避免了换流器的受迫停运；
(5)所述功率模块冗余取能电路，可适用于非隔离和隔离型取能板卡，所实现功能一致，提升原有***的可靠性，具有工程实用价值。
附图说明
图1是本发明功率模块取能电路拓扑示意图；
图2是本发明功率模块取能电路的应用示意图；
图3(a)是本发明中功率模块的第一实施例；
图3(b)是本发明中功率模块的第二实施例；
图3(c)是本发明中功率模块的第三实施例；
图3(d)是本发明中功率模块的第四实施例；
图4是本发明应用隔离型电源板卡的拓扑示意图；
图5是本发明在功率模块启动状态下旁路操作的控制逻辑图；
图6是本发明在功率模块正常运行状态下旁路操作的控制逻辑图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
取能电路实施例1
参考图1，本发明提出的功率模块冗余取能电路：
一种功率模块冗余取能电路，所述功率模块包括至少一个功率半导体器件、第一电容C1、第一旁路开关K1；所述取能电路包括第一稳压管VD1、第二稳压管VD2、第二开关K2、第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2、电源板卡和控制板卡；所述第一稳压管VD1的阳极与第一电容C1的正极相连，阴极串入第一电阻R1后与第二电容C2的正极相连，第二电容C2的负极与电容C1的负极相连；所述第二稳压管VD2的阳极与第一电容C1的正极相连，负极与第二电阻R2相连，第二电阻R2的另一端与第一电容C1的负极相连；所述第一旁路开关K1并联在功率模块的x1端子和x2端子之间；所述电源板卡从电容C1上获取能量，并向控制板卡提供电源以及向第二电容C2充电；所述控制板卡通过触发第二开关K2来控制第一旁路开关K1的合闸。
所述第一旁路开关K1具有合闸后机械保持功能，在断电后第一旁路开关K1能够保持合闸状态；所述第一旁路开关K1的合闸信号来自电容C2的放电。
作为优选方案，所述的功率模块冗余取能电路还包括第三开关K3，其一端与稳压管VD1的阴极相连，另一端与电阻R1相连；所述开关K3在电源板卡不工作时处于闭合状态，在电源板卡正常工作时处于分断状态。
如图2所示，所述功率模块首尾串联构成电压源型换流器的一个换流链。
如图3所示，所述功率模块可以为半桥连接形式，也可以为全桥连接形式，也可以为含电容C1及旁路开关K1的其他电路形式。
取能电路实施例2
参考图4，本发明提出的一种隔离型电源的功率模块冗余取能电路，
其中，在本实施中，所述的功率模块取能电路中的电源板卡为隔离型电源板卡，所述隔离型电源板卡包含隔离变压器，变压器的原、副边电路不共地，模块取能电路还包括第四开关K4，所述第四开关K4串联在第二电容C2负极与第一电容C1的负极之间，在电源板卡不工作时处于闭合状态，在电源板卡正常工作时处于分断状态。
所述的开关K3，开关K4和开关K2可以是机械开关或继电器，也可以是电子开关，如晶闸管、IGBT、IGCT、GTO或MOSFET；所述开关K3，开关K4和开关K2的触发信号来自电源板卡或控制板卡。
控制方法实施例1
参考图5，本发明提出一种功率模块冗余取能电路的控制方法，其特征在于：当功率模块启动时，发生故障需要旁路时，包含如下步骤；
(1)初始状态为第一旁路开关K1分断，第二开关K2分断，第三开关K3闭合
(2)功率模块中的第一电容C1开始充电；
(3)判断电源板卡是否工作正常；
(4)如电源板卡工作正常，则控制板卡发出合第二开关K2的指令，第二电容C2放电，触发第一旁路开关K1合闸；
(5)如电源板卡工作不正常，则第一电容C1继续充电；
(6)当电容电压达到第一稳压管VD1的第一阈值Vc1时，第一稳压管VD1击穿；
(7)第一电容C1通过第一稳压管VD1、第三开关K3、第一电阻R1为第二电容C2充电；
(8)第一电容C1继续充电，当第一电容C1上电容电压达到第二稳压管VD2的第二阈值Vc2时，第二稳压管VD2击穿；
(9)触发第二开关K2合闸，第二电容C2放电，触发第一旁路开关K1合闸。
控制方法实施例2
参考图6，本发明提出的一种功率模块冗余取能电路的控制方法，其特征在于：当功率模块正常工作，发生故障需要旁路时，包含如下步骤；
(1)初始状态为第一旁路开关K1分断，第二开关K2分断，第三开关K3分断
(2)检测到功率模块故障，闭锁所有开关模块的驱动命令；
(3)控制板卡发出合第二开关K2指令，触发第一旁路开关K1合闸；
(4)如合闸成功，则流程终止；若合闸不成功，则执行以下流程；
(5)第一电容C1继续充电，判断电源板卡工作是否正常，如电源板卡正常，当电容电压达到第二稳压管VD2的第二阈值Vc2时，第二稳压管VD2击穿；
(6)触发第二开关K2合闸，第二电容C2放电，触发第一旁路开关K1合闸；
(7)判断电源板卡工作不正常，闭合第三开关K3，第一电容C1继续充电，当电容电压达到第一稳压管VD1的第一阈值Vc1时，第一稳压管VD1击穿；
(8)第一电容C1继续充电，当电容电压达到第二稳压管VD2的第二阈值Vc2时，第二稳压管VD2击穿；
(9)触发第二开关K2合闸，第二电容C2放电，触发第一旁路开关K1合闸。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种功率模块冗余取能电路，所述功率模块包括至少一个功率半导体器件、第一电容C1、第一旁路开关K1；其特征在于：所述功率模块冗余取能电路包括第一稳压管VD1、第二稳压管VD2、第二开关K2、第一电阻R1、第二电阻R2、第二电容C2、电源板卡和控制板卡；所述第一稳压管VD1的阳极与第一电容C1的正极相连，阴极串入第一电阻R1后与第二电容C2的正极相连，第二电容C2的负极与电容C1的负极相连；所述第二稳压管VD2的阳极与第一电容C1的正极相连，负极与第二电阻R2相连，第二电阻R2的另一端与第一电容C1的负极相连；所述第一旁路开关K1并联在功率模块的x1端子和x2端子之间；所述电源板卡从电容C1上获取能量，并向控制板卡提供电源以及向第二电容C2充电；所述控制板卡通过触发第二开关K2来控制第一旁路开关K1的合闸。
2.如权利要求1所述的功率模块冗余取能电路，其特征在于：所述电路还包括第三开关K3，其一端与第一稳压管VD1的阴极相连，另一端与第一电阻R1相连；所述第三开关K3在电源板卡不工作时处于闭合状态，在电源板卡正常工作时处于分断状态。
3.如权利要求1所述的功率模块冗余取能电路，所述电源板卡为隔离型电源板卡，所述隔离型电源板卡包含隔离变压器，变压器的原、副边电路不共地，其特征在于：所述功率模块冗余取能电路还包括第四开关K4，所述第四开关K4串联在第二电容C2负极与第一电容C1的负极之间，在电源板卡不工作时处于闭合状态，在电源板卡正常工作时处于分断状态。
4.如权利要求1所述的功率模块冗余取能电路，其特征在于：所述功率模块包含至少两个功率半导体器件，功率半导体器件为半桥连接形式。
5.如权利要求1所述的功率模块冗余取能电路，其特征在于：所述功率模块包含至少四个功率半导体器件，功率半导体器件为全桥连接形式。
6.如权利要求1所述的功率模块冗余取能电路，其特征在于：所述第一旁路开关K1具有合闸后机械保持功能，在断电后旁路开关能够保持合闸状态；所述第一旁路开关K1的合闸信号来自第二电容C2的放电。
7.如权利要求1-3所述的功率模块冗余取能电路，其特征在于：所述第二、三、四开关是机械开关、继电器或者电子开关；所述第二、三、四开关的触发信号来自电源板卡或控制板卡。
8.一种如权利要求1-7所述的一种功率模块冗余取能电路的控制方法，其特征在于：当功率模块启动、发生故障需要旁路时，包含如下步骤；
步骤1：初始状态为第一旁路开关K1分断，第二开关K2分断，第三开关K3闭合；
步骤2：功率模块中的第一电容C1开始充电；
步骤3：判断电源板卡是否工作正常；
步骤4：如电源板卡工作正常，则控制板卡发出合第二开关K2的指令，第二电容C2放电，触发第一旁路开关K1合闸；
步骤5：如电源板卡工作不正常，则第一电容C1继续充电；
步骤6：当电容电压达到第一稳压管VD1的第一阈值Vc1时，第一稳压管VD1击穿；
步骤7：第一电容C1通过第一稳压管VD1、第三开关K3、第一电阻R1为第二电容C2充电；
步骤8：第一电容C1继续充电，当第一电容C1上电容电压达到第二稳压管VD2的第二阈值Vc2时，第二稳压管VD2击穿；
步骤9：触发第二开关K2合闸，第二电容C2放电，触发第一旁路开关K1合闸。
9.一种如权利要求1-7所述的一种功率模块冗余取能电路的控制方法，其特征在于：当功率模块正常工作、发生故障需要旁路时，包含如下步骤；
步骤1：初始状态为第一旁路开关K1分断，第二开关K2分断，第三开关K3分断；
步骤2：检测到功率模块故障，闭锁所有开关模块的驱动命令；
步骤3：控制板卡发出合第二开关K2指令，触发第一旁路开关K1合闸；
步骤4：如合闸成功，则流程终止；若合闸不成功，则执行以下流程；
步骤5：第一电容C1继续充电，判断电源板卡工作是否正常，如电源板卡正常，当电容电压达到第二稳压管VD2的第二阈值Vc2时，第二稳压管VD2击穿；
步骤6：触发第二开关K2合闸，第二电容C2放电，触发第一旁路开关K1合闸；
步骤7：判断电源板卡工作不正常，闭合第三开关K3，第一电容C1继续充电，当电容电压达到第一稳压管VD1的第一阈值Vc1时，第一稳压管VD1击穿；
步骤8：第一电容C1继续充电，当电容电压达到第二稳压管VD2的第二阈值Vc2时，第二稳压管VD2击穿；
步骤9：触发第二开关K2合闸，第二电容C2放电，触发第一旁路开关K1合闸。
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