CN109888763A - 一种功率模块冗余取能电路的断线检测和保护方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种功率模块冗余取能电路的断线检测和保护方法。所述方法包括：电压采样控制单元检测直流储能电容的电压和旁路储能电容的电压；将旁路储能电容的电压与第一过压阈值进行比较；响应于旁路储能电容的电压大于第一过压阈值，判定第二电阻发生断线故障；触发第一功率半导体开关导通，使得旁路储能电容通过旁路触发线圈、第一功率半导体开关放电，旁路开关触头闭合，功率半导体单元退出运行，直流储能电容停止充电；重复控制第一功率半导体开关导通或关断，直到直流储能电容的电压低于第一电压阈值。本申请针对功率模块冗余取能电路可快速识别断线并进行旁路，并对过压情况持续保护，避免故障扩大，不加电路，简单可靠，可实施性强。

Description

一种功率模块冗余取能电路的断线检测和保护方法

技术领域

本申请涉及特高压交直流输电领域，具体涉及一种功率模块冗余取能电路的断线检测和保护方法。

背景技术

级联多电平换流器在特高压交直流输电、无功补偿、直流配电网等电力、轨道交通以及新能源场合广泛应用。为了提高功率模块故障旁路可靠性，避免故障扩大，维持***继续运行，避免造成经济损失，功率模块中大多引入了冗余取能技术。

常规设计有交叉取能方案，即相邻功率模块电源板连接到相邻模块上，避免单个模块故障后无法启动。但是这种方案，增加了模块之间的相互耦合，容易造成故障扩大。

还有单个模块内部安装两块高压电源板增加冗余，但是这种方案不仅增加了功率模块的成本，并且增加了***的损耗，高压电源板的复杂设计意味着低可靠性。

CN109167507A提出了一种电阻分压取能方案，该方案利用模块中的均压电阻，降低了冗余取能电源的输入电压范围，大大简化了电源的设计，同时也没有增加功率模块的损耗。但是发明人发现，电阻分压的缺陷在于当下端电阻发生断线故障时，冗余电源的输入电压会随着RC充电越来越高，从而导致冗余电源的损坏，甚至引起整体模块的故障。

发明内容

本申请针对采用电阻分压取能方案的功率模块中，取能电阻断线导致的输入过压故障的缺陷，提出了一种功率模块冗余取能电路的断线检测和保护方法，快速检测电阻断线，并旁路模块，抑制断线点电压上升，达到保护模块以及避免故障跳闸的目的。

本申请实施例提供了一种功率模块冗余取能电路的断线检测和保护方法，所述功率模块冗余取能电路包括功率半导体单元、直流储能电容、高压电源板、控制板、旁路开关以及冗余取能单元；所述控制板包括电压采样控制单元、冗余电源、第一功率半导体开关；所述旁路开关包括旁路储能电容、旁路触发线圈以及旁路开关触头；所述冗余取能单元包括串联连接的第一电阻和第二电阻，所述方法包括：所述电压采样控制单元检测所述直流储能电容的电压和所述旁路储能电容的电压；将检测到的所述旁路储能电容的电压与第一过压阈值进行比较；响应于所述旁路储能电容的电压大于所述第一过压阈值，判定所述第二电阻发生断线故障；触发所述第一功率半导体开关导通，使得所述旁路储能电容通过所述旁路触发线圈、所述第一功率半导体开关放电，所述旁路开关触头闭合，所述功率半导体单元退出运行，所述直流储能电容停止充电；重复控制所述第一功率半导体开关导通或关断，直到所述直流储能电容的电压低于所述第一电压阈值。

作为本发明的一个方面，所述重复控制所述第一功率半导体开关导通或关断，包括：保持所述第一功率半导体开关导通，使得所述直流储能电容通过所述第一电阻、所述旁路触发线圈、所述第一功率半导体开关放电；所述第一功率半导体开关响应于所述控制板掉电或通过所述第一功率半导体开关的电流低于维持电流而关断，所述直流储能电容继续通过所述第一电阻给所述旁路储能电容充电，直到所述旁路储能电容的电压超过第一过压阈值；触发所述第一功率半导体开关导通，使得所述旁路储能电容通过所述旁路触发线圈、所述第一功率半导体开关放电。

作为本发明的一个方面，所述第一功率半导体开关响应于所述控制板掉电或通过所述第一功率半导体开关的电流低于维持电流而关断，包括：所述第一功率半导体开关为IGBT，则所述第一功率半导体开关响应于所述控制板掉电而关断；所述第一功率半导体开关为晶闸管，则所述第一功率半导体开关响应于通过所述第一功率半导体开关的电流低于维持电流而关断。

作为本发明的一个方面，所述电压采样控制单元检测所述直流储能电容的电压和所述旁路储能电容的电压之前，还包括：所述控制板响应于所述旁路储能电容的电压高于所述高压电源板启动门槛电压而启动；其中，所述直流储能电容由所述功率半导体单元充电，所述旁路储能电容由所述直流储能电容通过所述第一电阻充电。

作为本发明的一个方面，所述高压电源板启动门槛电压低于所述第一电压阈值。

作为本发明的一个方面，所述高压电源板故障时，所述电压采样控制单元检测所述直流储能电容的电压和所述旁路储能电容的电压之前，还包括：所述控制板响应于所述旁路储能电容的电压高于冗余电源启动门槛电压而启动；其中，所述直流储能电容由所述功率半导体单元充电，所述旁路储能电容由所述直流储能电容通过所述第一电阻充电。

作为本发明的一个方面，所述冗余电源启动门槛电压低于所述第一电压阈值。

作为本发明的一个方面，所述高压电源板股障时，所述冗余电源响应于所述旁路储能电容的电压超过或低于所述冗余电源启动门槛电压，而启动或掉电停运。

作为本发明的一个方面，所述方法还包括：检测到所述直流储能电容的电压超过第二电压阈值而冗余电源失电，则判定所述第一电阻发生断线故障；根据冗余电源故障状态进行保护。

作为本发明的一个方面，所述第二电压阈值在所述第二电阻的分压为冗余电源启动门槛电压。

本申请的实施例提出的方法，针对功率模块冗余取能电路出现的下端电阻断线问题，提出了断线检测和保护方法，可以快速识别出断线，并进行旁路，同时对断线点出现的过压情况，进行持续保护，直到模块退出***运行，避免模块的故障扩大，充分利用了旁路开关的部分硬件，不额外增加硬件电路的情况下，达到了保护目的，简单可靠，可实施性强，可工程化性高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一实施例提供的一种功率模块冗余取能电路组成示意图；

图2为本申请一实施例提供的一种功率模块冗余取能电路的断线检测和保护方法流程示意图；

图3为图2实施例提供的方法步骤S150的子步骤示意图；

图4为本申请另一实施例提供的一种功率模块冗余取能电路高压电源板故障时的断线检测和保护方法流程示意图；

图5为图4实施例提供的方法步骤S250的子步骤示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合附图和实施例，对本申请技术方案的具体实施方式进行更加详细、清楚的说明。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本申请的限制。其只是包含了本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，本领域技术人员对于本申请的各种变化获得的其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请提出的方法是针对功率模块冗余取能电路的断线检测和保护方法。

图1为本申请一实施例提供的一种功率模块冗余取能电路组成示意图，包括功率半导体单元1、直流储能电容C1、高压电源板2、控制板3、旁路开关5以及冗余取能单元4。

直流储能电容C1与功率半导体单元1并联连接。高压电源板2从直流储能电容C1取能，供给控制板3和旁路开关5。控制板3包括电压采样控制单元31、冗余电源32、第一功率半导体开关Q1。

旁路开关5包括旁路储能电容C2、旁路触发线圈L1以及旁路开关触头K1，旁路开关触头K1与功率半导体单元1并联连接，旁路触发线圈L1的一端连接至旁路储能电容C2的正极，另一端连接至第一功率半导体器件Q1的一端。

冗余取能单元4包括串联连接的第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的一端连接至直流储能电容C1的正极，第二电阻R2的一端连接至直流储能电容C1的负极；第一电阻R1和第二电阻R2的串联接点经过第一二极管D1连接至旁路储能电容C2的正极，旁路储能电容C2的负极连接至控制板3的负极汇集点，控制板3的负极汇集点连接至直流储能电容C1的负极，冗余电源32通过第二电阻R2的分压取电，在高压电源板2故障时给电压采样控制单元31供电。

第一功率半导体开关Q1包括但不限于晶闸管、绝缘栅双极型晶体管或者固态开关。

图2为本申请一实施例提供的一种功率模块冗余取能电路的断线检测和保护方法流程示意图，包括以下步骤。

在步骤S110中，电压采样控制单元31检测直流储能电容C1的电压和旁路储能电容C2的电压。

电压采样控制单元31在控制板3启动后正常工作，检测直流储能电容C1的电压和旁路储能电容C2的电压。

而控制板3启动的过程为：功率半导体单元1给直流储能电容C1充电，直流储能电容C1通过第一电阻R1给旁路储能电容C2充电。当旁路储能电容C2的电压高于高压电源板2的启动门槛电压时，高压电源板2工作，给控制板3供电，控制板3启动。

高压电源板2正常工作时，控制板由高压电源板2供电，冗余电源32处于待机状态。

在步骤S120中，电压采样控制单元31将检测到的旁路储能电容C2的电压与第一过压阈值V1进行比较。

在步骤S130中，响应于旁路储能电容C2的电压大于第一过压阈值V1，判定第二电阻R2发生断线故障。

第一电阻R1发生断线故障时，不会引起大的损害，一般仅仅是冗余电源失电无法启动。电压采样控制单元31检测到直流储能电容C1的电压超过第二电压阈值V4而冗余电源32失电，则判定第一电阻R1发生断线故障，电压采样控制单元31根据冗余电源32故障状态进行保护。

第二电压阈值V4在第二电阻R2的分压为冗余电源32启动门槛电压V3。

第二电阻R2发生断线故障时，冗余电源32的输入电压会随着RC充电越来越高，从而导致冗余电源32的损坏，甚至引起整体模块的故障，所以需要重点检测和保护。

其中，为了使高压电源板正常启动工作，给控制板供电使控制板正常工作，第一电压阈值V1大于高压电源板启动门槛电压V2。

在步骤S140中，电压采样控制单元31触发第一功率半导体开关Q1导通，使得旁路储能电容C2通过旁路触发线圈L1、第一功率半导体开关Q1放电，旁路开关触头K1闭合，功率半导体单元1退出运行，直流储能电容C1停止充电。

旁路储能电容C2一开始放电，旁路开关触头K1即闭合，功率半导体单元1退出运行。

在步骤S150中，重复控制第一功率半导体开关Q1导通或关断，直到直流储能电容C1的电压低于第一电压阈值V1。

图3为图2实施例提供的方法步骤S150的子步骤示意图，如图3所示，在步骤S150中，重复控制所述第一功率半导体开关导通或关断，包括以下子步骤。

在步骤S151中，保持第一功率半导体开关Q1导通，使得直流储能电容C1通过第一电阻R1、旁路触发线圈L1、第一功率半导体开关Q1放电。

在步骤S152中，第一功率半导体开关Q1响应于控制板3掉电或通过第一功率半导体开关Q1的电流低于维持电流而关断，直流储能电容C1继续通过第一电阻R1给旁路储能电容C2充电，直到旁路储能电容C2的电压超过第一过压阈值V1。

其中，第一功率半导体开关Q1响应于控制板3掉电或通过第一功率半导体开关Q1的电流低于维持电流而关断，包括以下两种情况。

第一功率半导体开关Q1为IGBT时，则第一功率半导体开关Q1响应于控制板3掉电而关断。

第一功率半导体开关Q1为晶闸管时，则第一功率半导体开关Q1响应于通过第一功率半导体开关Q1的电流低于维持电流而关断。

在步骤S153中，触发第一功率半导体开关Q1导通，使得旁路储能电容C2通过旁路触发线圈L1、第一功率半导体开关Q1放电。

重复上述步骤S151、S152、S153，直到直流储能电容C1的电压低于第一电压阈值V1。

本实施例提供的方法可以快速识别出断线，并进行旁路，同时对断线点出现的过压情况，进行持续保护，直到模块退出***运行，避免了模块的故障扩大，充分利用了旁路开关的部分硬件，不额外增加硬件电路的情况下，达到了保护目的，简单可靠，可实施性强，可工程化性高。

图4为本申请另一实施例提供的一种功率模块冗余取能电路高压电源板故障时的断线检测和保护方法流程示意图。

在本实施例中，高压电源板故障时，该断线检测和保护方法包括以下步骤。

在步骤S210中，电压采样控制单元31检测直流储能电容C1的电压和旁路储能电容C2的电压。

电压采样控制单元31在控制板3启动后正常工作，检测直流储能电容C1的电压和旁路储能电容C2的电压。

而控制板3在高压电源板故障时启动的过程为：功率半导体单元1给直流储能电容C1充电，直流储能电容C1通过第一电阻R1给旁路储能电容C2充电。当旁路储能电容C2的电压高于冗余电源32的启动门槛电压V3时，冗余电源32启动，给控制板3供电，控制板3启动。

在步骤S220中，电压采样控制单元31将检测到的旁路储能电容C2的电压与第一过压阈值V1进行比较。

在步骤S230中，响应于旁路储能电容C2的电压大于第一过压阈值V1，判定第二电阻R2发生断线故障。

第一电阻R1发生断线故障时，不会引起大的损害，一般仅仅是冗余电源失电无法启动。电压采样控制单元31检测到直流储能电容C1的电压超过第二电压阈值V4而冗余电源32失电，则判定第一电阻R1发生断线故障，电压采样控制单元31根据冗余电源32故障状态进行保护。

第二电压阈值V4在第二电阻R2的分压为冗余电源32启动门槛电压V3。

第二电阻R2发生断线故障时，冗余电源32的输入电压会随着RC充电越来越高，从而导致冗余电源32的损坏，甚至引起整体模块的故障，所以需要重点检测和保护。

其中，为了使冗余电源32正常启动工作，第一电压阈值V1大于冗余电源启动门槛电压V3。

在步骤S230中，电压采样控制单元31触发第一功率半导体开关Q1导通，使得旁路储能电容C2通过旁路触发线圈L1、第一功率半导体开关Q1放电，旁路开关触头K1闭合，功率半导体单元1退出运行，直流储能电容C1停止充电，冗余电源32掉电停运。

旁路储能电容C2一开始放电，旁路开关触头K1即闭合，功率半导体单元1退出运行。

在步骤S240中，重复控制第一功率半导体开关Q1导通或关断，直到直流储能电容C1的电压低于第一电压阈值V1。

图5为图4实施例提供的方法步骤S250的子步骤示意图，如图5所示，步骤S250中，重复控制第一功率半导体开关导通或关断，包括以下子步骤。

在步骤S251中，保持第一功率半导体开关Q1导通，使得直流储能电容C1通过第一电阻R1、旁路触发线圈L1、第一功率半导体开关Q1放电。

在步骤S252中，第一功率半导体开关Q1响应于控制板3掉电或通过第一功率半导体开关Q1的电流低于维持电流而关断，直流储能电容C1继续通过第一电阻R1给旁路储能电容C2充电，旁路储能电容C2的电压达到冗余电源32启动门槛电压V3时，冗余电源32再次启动，控制板重新启动工作，直到旁路储能电容C2的电压超过第一过压阈值V1。

其中，第一功率半导体开关Q1响应于控制板3掉电或通过第一功率半导体开关Q1的电流低于维持电流而关断，包括以下两种情况。

第一功率半导体开关Q1为IGBT时，则第一功率半导体开关Q1响应于控制板3掉电而关断。

第一功率半导体开关Q1为晶闸管时，则第一功率半导体开关Q1响应于通过第一功率半导体开关Q1的电流低于维持电流而关断。

在步骤S253中，触发第一功率半导体开关Q1导通，使得旁路储能电容C2通过旁路触发线圈L1、第一功率半导体开关Q1放电，冗余电源32掉电停运。

重复上述步骤S251、S252、S253，直到直流储能电容C1的电压低于第一电压阈值V1。

本实施例提供的方法，在高压电源板故障时，冗余电源工作时，也可以快速识别出断线，并进行旁路，同时对断线点出现的过压情况，进行持续保护，直到模块退出***运行，避免了模块的故障扩大，充分利用了旁路开关的部分硬件，不额外增加硬件电路的情况下，达到了保护目的，简单可靠，可实施性强，可工程化性高。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本申请而非限制本申请的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本申请的精神和范围的前提下对本申请进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本申请的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (10)

1.一种功率模块冗余取能电路的断线检测和保护方法，所述功率模块冗余取能电路包括功率半导体单元、直流储能电容、高压电源板、控制板、旁路开关以及冗余取能单元；所述控制板包括电压采样控制单元、冗余电源、第一功率半导体开关；所述旁路开关包括旁路储能电容、旁路触发线圈以及旁路开关触头；所述冗余取能单元包括串联连接的第一电阻和第二电阻，所述方法包括：

所述电压采样控制单元检测所述直流储能电容的电压和所述旁路储能电容的电压；

将检测到的所述旁路储能电容的电压与第一过压阈值进行比较；

响应于所述旁路储能电容的电压大于所述第一过压阈值，判定所述第二电阻发生断线故障；

触发所述第一功率半导体开关导通，使得所述旁路储能电容通过所述旁路触发线圈、所述第一功率半导体开关放电，所述旁路开关触头闭合，所述功率半导体单元退出运行，所述直流储能电容停止充电；

重复控制所述第一功率半导体开关导通或关断，直到所述直流储能电容的电压低于所述第一电压阈值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述重复控制所述第一功率半导体开关导通或关断，包括：

保持所述第一功率半导体开关导通，使得所述直流储能电容通过所述第一电阻、所述旁路触发线圈、所述第一功率半导体开关放电；

所述第一功率半导体开关响应于所述控制板掉电或通过所述第一功率半导体开关的电流低于维持电流而关断，所述直流储能电容继续通过所述第一电阻给所述旁路储能电容充电，直到所述旁路储能电容的电压超过第一过压阈值；

触发所述第一功率半导体开关导通，使得所述旁路储能电容通过所述旁路触发线圈、所述第一功率半导体开关放电。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一功率半导体开关响应于所述控制板掉电或通过所述第一功率半导体开关的电流低于维持电流而关断，包括：

所述第一功率半导体开关为IGBT，则所述第一功率半导体开关响应于所述控制板掉电而关断；或

所述第一功率半导体开关为晶闸管，则所述第一功率半导体开关响应于通过所述第一功率半导体开关的电流低于维持电流而关断。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述电压采样控制单元检测所述直流储能电容的电压和所述旁路储能电容的电压之前，还包括：

所述控制板响应于所述旁路储能电容的电压高于所述高压电源板启动门槛电压而启动；其中，所述直流储能电容由所述功率半导体单元充电，所述旁路储能电容由所述直流储能电容通过所述第一电阻充电。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述高压电源板启动门槛电压低于所述第一电压阈值。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述高压电源板故障时，所述电压采样控制单元检测所述直流储能电容的电压和所述旁路储能电容的电压之前，还包括：

所述控制板响应于所述旁路储能电容的电压高于冗余电源启动门槛电压而启动；其中，所述直流储能电容由所述功率半导体单元充电，所述旁路储能电容由所述直流储能电容通过所述第一电阻充电。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述冗余电源启动门槛电压低于所述第一电压阈值。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述高压电源板股障时，所述冗余电源响应于所述旁路储能电容的电压超过或低于所述冗余电源启动门槛电压，而启动或掉电停运。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：

将检测到的所述直流储能电容的电压与第二电压阈值进行比较；

响应于所述直流储能电容的电压大于所述第二电压阈值而所述冗余电源失电，判定所述第一电阻发生断线故障；

根据冗余电源故障状态进行保护。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二电压阈值在所述第二电阻的分压为冗余电源启动门槛电压。