CN112865159A - 一种开关的驱动装置和一种模块化多电平换流器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种开关的驱动装置和一种模块化多电平换流器，属于直流输电技术领域，包括光电转换电路、驱动电路、储能电路、快充电路、慢充电路和充电控制电路。本发明的驱动装置通过光电转换电路输出的触发信号，控制驱动电路中的开关管通断，利用储能电路的能量，实现旁路开关动作；通过充电控制电路，在储能电路中储能元件的电压小于设定值时，控制快充电路关断，在储能电路中储能元件的电压大于或等于设定值时，控制快充电路导通。本发明的驱动装置有效避免了现有技术中单独使用快充电路导致充电电阻烧坏的问题，保证整个驱动装置对旁路开关进行的可靠控制。

Description

一种开关的驱动装置和一种模块化多电平换流器
技术领域
本发明属于直流输电技术领域，具体涉及一种开关的驱动装置和一种模块化多电平换流器。
背景技术
MMC(Modular Multilevel Converter,模块化多电平换流器)是目前柔性直流输电工程广泛采用的拓扑结构，该拓扑包含6个对称的桥臂，每个桥臂通常由几十个甚至几百个如图1(a)所示的半桥子模块或图1(b)所示的全桥子模块级联而成，为了实现换流阀在子模块故障时的冗余控制功能，每个子模块都配置一个旁路开关。在换流阀运行过程中，某个子模块故障时，通过闭合旁路开关快速切除故障子模块，以保证整个***继续正常运行，因此，旁路开关可靠控制显得尤为重要。
旁路开关的驱动装置通常固定于旁路开关上，位于子模块内部，且与子模块的主控制板卡分开，因此，两者需要进行电气连接，现有技术中采用引线的方式容易受到高压环境中的电磁干扰，导致旁路开关误动作，严重时会造成***跳闸停机。因此，设计安全可靠的电气连接方式是***稳定运行的重要保障。
当驱动信号长期有效时，储能电容(即储能元件)会通过旁路开关合闸驱动线圈和开关管持续放电，同时供电电源会通过充电电阻对储能电容持续大电流充电，当供电电源采用直流220V，充电电阻1kΩ/2W时，充电电流约为220mA，从而导致充电电阻发热严重而烧坏。因此，如何保证充电电路正常工作是旁路开关驱动装置亟待解决的重要问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种开关的驱动装置和一种模块化多电平换流器，用于解决在长期驱动开关时驱动装置的供电电源长期大电流充电导致充电电阻发热甚至烧坏的问题。
为解决上述技术问题，本发明提出一种开关的驱动装置的技术方案，包括：
驱动电路，其输入端用于接收开关控制指令，其输出端用于连接开关驱动线圈的一端；
储能电路，用于向所述开关驱动线圈放电，该储能电路中的储能元件连接所述开关驱动线圈的另一端；
快充电路和慢充电路，分别连接所述储能电路，用于对储能电路中的储能元件供电，所述快充电路中设置有快充电阻，慢充电路中设置有慢充电阻，快充电阻的阻值小于慢充电阻的阻值；
充电控制电路，用于在储能电路中储能元件的电压小于设定值时，控制快充电路关断，在储能电路中储能元件的电压大于或等于设定值时，控制快充电路导通。
为解决上述技术问题，本发明提出一种模块化多电平换流器的技术方案，包括上桥臂和下桥臂，所述上桥臂和/或下桥臂中设置有子模块和对应的旁路开关，还包括上述开关的驱动装置，用于驱动所述对应的旁路开关。
上述两个技术方案的技术效果为：
在驱动装置长期驱动开关的情况下，储能电路中的储能元件一直处于放电状态，本发明通过设置的充电控制电路、快充电路和慢充电路，在储能电路中储能元件的电压小于设定值时，控制快充电路关断，只有慢充电路导通，进行小电流的充电，且慢充电路中的慢充电阻的阻值较大，即使长时间对储能元件供电也不会导致电阻发热；而在储能电路中储能元件的电压大于或等于设定值时，表明储能电路中的储能元件不处于长期放电状态，此时控制快充电路导通，进行大电流的充电，大电流充电的持续时间很短，使快充电路中的快充电阻即使经过大电流也不会过度发热，从而避免电阻因过度发热导致烧坏。
为了实现充电控制电路对快充电路的控制，进一步的，所述充电控制电路包括：鉴幅器和开关管，鉴幅器的输入端连接储能电路中的储能元件，输出端用于通过稳压管和分压电阻连接开关管的控制端，且开关管串联在所述快充电路中。
当储能电路中储能元件的电压小于设定值时，鉴幅器的输入电压小于设定值，鉴幅器输出高电平，使稳压管不导通，开关管的控制端处于截止状态，进而开关管为关断状态，快充电路不导通。
当储能电路中储能元件的电压大于或等于设定值时，鉴幅器的输入电压大于或等于设定值，鉴幅器输出低电平，使稳压管导通，开关管的控制端处于导通状态，进而开关管为导通状态，快充电路导通。
为了在快充电路和/或慢充电路的供电电源异常掉电时，储能元件能继续储存能量，进一步的，所述快充电路和/或慢充电路中设置有保护二极管。
进一步，还包括用于并联所述开关驱动线圈的续流二极管，用于在断开开关时，吸收开关驱动线圈的剩余能量。
为了实现对开关的驱动，进一步的，驱动电路包括串联在所述开关驱动线圈与地之间的开关管，开关管的控制端分别连接有限流电阻和分压电阻，其中限流电阻用于连接驱动电路的输入端，分压电阻用于接地。
为了驱动电路免受浪涌电流造成的损坏，进一步，还包括所述控制端的TVS管(瞬变电压抑制二极管)，该TVS管和分压电阻并联后接地。
为了避免受到高压环境中的电磁干扰，进一步，所述驱动电路还包括光电转换电路，该光电转换电路包括接收光模块和光偶，接收光模块的输入端用于接收控制器发出的光信号，输出端连接光偶的原边，光偶的副边连接驱动电路的输入端，用于产生开关控制指令。
附图说明
图1(a)是现有技术中的半桥子模块示意图；
图1(b)是现有技术中的全桥子模块示意图；
图2是本发明驱动装置实施例的一种开关的驱动装置示意图；
图3是本发明驱动装置实施例的光电转换电路示意图；
图4是本发明驱动装置实施例的另一种充电控制电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
驱动装置实施例：
如图2所示的一种开关的驱动装置，包括光电转换电路、驱动电路、储能电路、快充电路、慢充电路和充电控制电路。其中，光电转换电路包括接收光模块和光偶，接收光模块的输入端用于接收控制器发出的光信号，输出端连接光偶的原边，光偶的副边连接驱动电路的输入端，用于产生开关控制指令。
其中，光电转换电路通过光纤与子模块控制器连接，具体电路原理如图3所示，该光电转换电路包括接收光模块OPT1、光偶OPT2及***电路，接收光模块OPT1的输入端用于接收控制器发出的光信号，输出端连接光偶OPT2的原边，光偶OPT2的副边连接驱动电路的输入端，用于产生开关控制指令。接收光模块OPT1接收到子模块控制器发送的光信号时，输出低电平，光偶OPT2工作输出高电平(即旁路开关的触发信号)，触发驱动电路。光电转换电路的***电路包括与光偶OPT2的原边并联的电容C2、二极管D5，用于吸收输入光偶OPT2的干扰信号。
本实施例中，光电转换电路采用光纤与子模块控制器(该子模块指半桥子模块或全桥子模块)连接，增强了电路的抗干扰能力；且光偶OPT2的使用，实现控制弱电与驱动电源强电的隔离。
驱动电路包括串联在开关驱动线圈与地之间的开关管S1，开关管S1的控制端分别连接限流电阻R1、分压电阻R2和双向TVS管(双向瞬变电压抑制二极管)D2，其中限流电阻R1用于连接驱动电路的输入端，分压电阻R2与双向TVS管D2并联后接地(GND)。
驱动电路的输出端连接开关驱动线圈的一端，开关驱动线圈的另一端连接储能电路中的储能元件C1。
本实施例中，驱动电路所用的开关管S1为IGBT，通过驱动IGBT的开通和关断，实现对旁路开关K的控制。IGBT的开通和关断速度均为纳秒级，保证了快速响应旁路开关的触发信号。驱动电路中，与IGBT控制端连接的是限流电阻R1和分压电阻R2串联组成的电路及双向TVS管D2，限流电阻R1和分压电阻R2组成的串联电阻用于限制IGBT控制端的电流及保证IGBT控制端可靠导通的电压，TVS管D2为双极性稳压管，当其两极收到瞬态冲击时，TVS管D2由高阻抗变为低阻抗，吸收瞬态能量，并将两极电压箝位至额定值，保护IGBT免受损坏。
快充电路和慢充电路分别连接在储能元件C1两端，用于对储能电路中的储能元件C1供电，快充电路中设置有快充电阻Rq和供电电源，慢充电路中设置有慢充电阻Rs和供电电源，快充电阻Rq的阻值小于慢充电阻Rs的阻值，快充电路和慢充电路的公共支路中设置有保护二极管D4。
充电控制电路主要包括鉴幅器和开关管，鉴幅器包括电源基准芯片T、分压电阻R3和R4；分压电阻R3和R4的串联端，作为鉴幅器的输入端，连接在储能元件C1两端，电源基准芯片T的输入端并联分压电阻R4，电源基准芯片T的输出端为鉴幅器的输出端，鉴幅器的输出端用于通过稳压管D3和分压电阻R5连接开关管S2的控制端，电阻R6连接在开关管S2的控制端(基极)和集电极之间，且开关管S2串联在快充电路中。
充电控制电路实现了慢充与快充的切换，供电电源的供电初期由大电阻(慢充电阻Rs)充电，达到切换条件时由大电阻与小电阻(快充电阻Rq)并联充电，快速充电至稳态。工作过程为：当有旁路开关的触发信号时，旁路开关闭合，储能电路放电，达到切换条件时，切回至由大电阻充电，有效保护充电电阻(慢充电阻Rs和快充电阻Rq)不被烧坏。本实施例中Rs和Rq的设计，需考虑子模块上电后异常闭合旁路开关的情况，根据要求的充电时间，利用RC电路充电公式计算Rs和Rq的阻值，RC电路充电公式为：
Vt＝Vo+(VCC-Vo)*[1-exp(-t/RC)]
其中，t为充电时间，R为待求电阻(Rs或Rq)，C为储能元件C1的容值，VCC为充电稳定电压，Vt为充电t时刻电压，Vo为充电0时刻电压。
利用电源基准芯片T的鉴幅器作用，当电容储能(即储能元件)C1的电压小于(R3+R4)*2.5/R4的时候，电源基准芯片T输出为高电平，稳压管D3不导通，电阻R6两端无压降，开关管S2截止，快充电路为断开状态，充电电路慢充有效；当储能电容C1电压大于等于(R3+R4)*2.5/R4时(即上述切换条件)，电源基准芯片T输出为低电平，稳压管D3导通，电阻R6两端存在压降，开关管S2导通，快充电路为开通状态，充电电路为慢充与快充并联。
储能电路采用储能电容C1，供电电源通过充电电阻给电容充电直至稳态，储能电容C1与开关管S1、旁路开关K的开关驱动线圈连接，当旁路开关的触发信号有效时，使驱动电路中的开关管S1导通，储能电容C1存储的能量供给开关驱动线圈，在开关驱动线圈的磁力作用下，旁路开关K闭合。
本实施例中，在快充电路和/或慢充电路中设置有保护二极管D4，当供电电源异常掉电时，储能电容能继续储存能量，用于闭合旁路开关。
上述开关的驱动装置，在供电电源供电后，供电电源首先通过慢充电路给储能电容充电，充电过程中当储能电容的电压升到一定值后，电源基准芯片T工作输出低电平，串联在快充支路的开关管导通，充电电路切换为慢充电路和快充电路同时给储能电容充电；当旁路开关的驱动信号有效时，驱动电路中的开关管闭合，旁路开关闭合，储能电容储能通过开关驱动线圈放电，当储能电容的电压降到一定值后，电源基准芯片T工作输出高电平，串联在快充支路的开关管关闭，充电电路又切换回慢充电路，只有慢充电路工作。
本发明的驱动装置通过光电转换电路输出的触发信号，控制驱动电路中的开关管开断，利用储能电路的能量，实现旁路开关动作；同时充电电路采用快充电路与慢充电路并联，利用储能电路中储能电容两端的电压控制快充电路是否工作，实现充电电路的切换，有效避免了现有技术中单独使用快充电路导致充电电阻烧坏的问题，保证整个驱动装置对旁路开关进行的可靠控制。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。例如，本实施例中的充电控制电路，还可以采用图4所示的电路，通过采样电路Y1对储能电容C1两端的电压进行采样，经过比较器Y2输出控制开关S2通断的控制信号。当储能电容C1电压大于等于设定值时，比较器Y2输出信号控制开关S2导通，当储能电容C1电压小于设定值时，比较器Y2输出信号控制开关S2关断。
又如，本实施例中的保护二极管D4设置在如图2所示的快充电路和慢充电路的公共支路上，作为其他实施方式，也可以在快充电路或慢充电路的非公共支路中设置二极管。
又如，本实施例中的子模块控制器既可以是计算机，也可以是微处理器，如ARM等，还可以是可编程芯片，如FPGA、DSP等。
凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。
换流器实施例：
本实施例提出一种模块化多电平换流器，包括上桥臂和下桥臂(例如背景技术中提到的6个对称的桥臂)，每个上桥臂和下桥臂中设置有子模块和对应的旁路开关，以及旁路开关的驱动装置，用于驱动对应的旁路开关，由于该驱动装置已经在上述驱动装置实施例中进行了清楚、完整的介绍，本实施例不再赘述。
需要说明的是，当模块化多电平换流器对应的某个桥臂上的某个子模块没有配置旁路开关时，也不必配置驱动装置；也就是说，对应配置有旁路开关的相应桥臂上的相应子模块，才配置对应的驱动装置。

Claims (8)

1.一种开关的驱动装置，其特征在于，包括：
驱动电路，其输入端用于接收开关控制指令，其输出端用于连接开关驱动线圈的一端；
储能电路，用于向所述开关驱动线圈放电，该储能电路中的储能元件连接所述开关驱动线圈的另一端；
快充电路和慢充电路，分别连接所述储能电路，用于对储能电路中的储能元件供电，所述快充电路中设置有快充电阻，慢充电路中设置有慢充电阻，快充电阻的阻值小于慢充电阻的阻值；
充电控制电路，用于在储能电路中储能元件的电压小于设定值时，控制快充电路关断，在储能电路中储能元件的电压大于或等于设定值时，控制快充电路导通。
2.根据权利要求1所述的开关的驱动装置，其特征在于，所述充电控制电路包括：鉴幅器和开关管，鉴幅器的输入端连接储能电路中的储能元件，输出端用于通过稳压管和分压电阻连接开关管的控制端，且开关管串联在所述快充电路中。
3.根据权利要求1或2所述的开关的驱动装置，其特征在于，所述快充电路和/或慢充电路中设置有保护二极管。
4.根据权利要求1所述的开关的驱动装置，其特征在于，还包括用于并联所述开关驱动线圈的续流二极管。
5.根据权利要求1所述的开关的驱动装置，其特征在于，驱动电路包括串联在所述开关驱动线圈与地之间的开关管，开关管的控制端分别连接有限流电阻和分压电阻，其中限流电阻用于连接驱动电路的输入端，分压电阻用于接地。
6.根据权利要求5所述的开关的驱动装置，其特征在于，还包括所述控制端的TVS管，该TVS管和分压电阻并联后接地。
7.根据权利要求1或5所述的开关的驱动装置，其特征在于，还包括光电转换电路，该光电转换电路包括接收光模块和光偶，接收光模块的输入端用于接收控制器发出的光信号，输出端连接光偶的原边，光偶的副边连接驱动电路的输入端，用于产生开关控制指令。
8.一种模块化多电平换流器，包括上桥臂和下桥臂，其特征在于，所述上桥臂和/或下桥臂中设置有子模块和对应的旁路开关，还包括如权利要求1-7任一项所述的开关的驱动装置，用于驱动所述对应的旁路开关。
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