一种基于电流测量的电力电子器件驱动电路及其控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于电流测量的电力电子器件驱动电路及其控制方法，属于电力电子器件驱动电路技术领域，该电路包括：电源管理模块，触发模块，开通模块，关断模块，状态监测模块，状态反馈模块，逻辑控制模块；该状态监测模块包括电源监测器，电压监测器，状态监测器，电流监测器和电流直接测量传感器，通过电流测量结果判断器件是否过流、是否老化严重，并将信息反馈给混合直流断路器控制系统，从而采取相应的控制保护策略。该方法包括在混合直流断路器关断过程中的控制和在混合直流断路器关断完成后的控制。本发明可测量通态kA级大电流和断态mA级漏电流，测量频域宽、量程大、精确度高、成本低、体积小，且降低器件损坏或断路器关断失败的风险。
【专利说明】
一种基于电流测量的电力电子器件驱动电路及其控制方法
技术领域
[0001]本发明属于电力电子器件驱动电路技术领域，特别涉及一种半导体驱动电路，尤其涉及一种应用于混合直流断路器中基于电流测量的电力电子器件驱动电路。
【背景技术】
[0002]直流断路器是直流线路组网的关键设备。随着电力电子器件的发展，门极关断晶闸管GT0、绝缘栅双极型晶体管IGBT、电子注入增强栅晶体管IEGT、集成门极换流晶闸管IGCT、发射极关断晶闸管ETO等大功率电力电子器件在直流输配电领域的应用日益广泛，尤其是基于电力电子器件开断电流的混合直流断路器，已成为直流断路器的重要发展方向。混合直流断路器结构如图1所示，主要包括快速机械开关通流支路、基于电力电子器件的断流支路、能量吸收支路三条支路和控制系统，三条支路并联后与控制系统相连，控制系统控制三条支路的通断。其中，断流支路的每个电力电子器件均与一个驱动电路相连，断路器的控制系统通过驱动电路控制电力电子器件的开通和关断。正常导通情况下电流流过通流支路；故障发生时断路器动作，快速机械开关分闸，电流转移至基于电力电子器件的断流支路，随后断流支路关断，产生瞬态过电压，线路能量被能量吸收支路吸收，线路电流下降至零。
[0003]所述断路器动作过程中，电流转移至断流支路后，断流支路的电力电子器件通过毫秒级短路电流后进行关断，由于电力电子器件关断电流能力有限，短路电流过大将导致关断失败甚至造成断流支路损坏，造成设备和系统巨大的经济损失。因此与电力电子器件相连的驱动电路需要对电力电子器件开通状态的通态电流进行监测，当电流达到或接近器件关断极限时驱动电路采取相应措施，保护器件。另外，断路器动作结束后，断流支路处于关断状态并耐受母线电压，电力电子器件通过mA级漏电流，过高的漏电流会导致器件发热和老化，影响静态均压，降低断路器可靠性。因此驱动电路需要对电力电子器件关断状态的断态漏电流进行监测，从而监测器件的静态发热和老化程度。此外，电力电子器件在其他应用中，如变流器，同样需考虑通态电流过大及断态漏电流过高的情况，因此也应对通态、断态的电流进行监测，当电流异常时，驱动电路采取相应控制方法，保护电力电子器件和设备。
[0004]已有的电力电子器件驱动电路的结构如图2所示，包括电源管理模块I，触发模块2，开通模块3，关断模块4，状态监测模块5，状态反馈模块6，逻辑控制模块7，驱动电路控制的电力电子器件8，如IGBT、IGCT等。其中状态监测模块5主要包括用于监测电源的电压传感器5a，用于监测电力电子器件两端电压的电压传感器5b，和监测其他性能的传感器5c(如监测驱动板温度的温度传感器等)ο驱动电路的电源管理模块I与其他各模块相连，对其他各模块进行供电;开通模块3、关断模块4与电力电子器件8相连，对电力电子器件8执行开通或关断操作;状态监测模块5与电源管理模块1、电力电子器件8相连，监测驱动电路电源、电力电子器件状态;触发模块2、开通模块3、关断模块4、状态监测模块5及状态反馈模块6均与逻辑控制模块7相连，触发模块接收上级指令后发送到逻辑控制模块，逻辑控制模块根据上级指令、状态监测模块的状态监测结果进行判断，通过开通模块或关断模块对电力电子器件进行开通或关断操作;状态反馈模块与逻辑控制模块相连，将电力电子器件的开关状态反馈给上级系统。
[0005]已有电力电子器件驱动电路的状态监测模块，由于没有电流传感器，不能直接测量通过电力电子器件的通态kA级电流或断态mA级漏电流。已有电力电子器件驱动电路，使用与电力电子器件相连的电压传感器监测导通期间集电极和发射极的电压，利用电力电子器件电压-电流特性曲线间接推出通态电流。由于电力电子器件电压-电流特性曲线受器件温度影响大，且与电力电子器件的自身差异性有关，间接推出的通态电流误差较大。已有电力电子器件驱动电路的控制方法中，对于通态电流的过流保护，已有电力电子器件驱动电路可以通过测量电力电子器件两端电压并利用电压-电流特性曲线间接推出通态电流，从而进行过流保护。由于间接推出的通态电流误差较大，已有电力电子器件的驱动电路过流保护精确度低，严重限制了电力电子器件通态电流的使用裕度。对于断态漏电流的老化程度监测，已有电力电子器件驱动电路没有相应的电压、mA级电流测量以及老化保护策略。
[0006]已有的电力电子器件驱动电路，没有电流直接测量传感器，基于间接测量电流的过流保护精确度低，不能监测器件老化程度，因此在直流断路器及变流器等其他应用中，电力电子器件的通态电流及关断电流使用裕度降低，且不能对过流关断或老化发热造成的器件损坏进行可靠地预防和保护，严重降低了直流断路器及变流器系统整体的可靠性。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种新的基于电流测量的电力电子器件驱动电路及其控制方法，用于驱动混合直流断路器中的电力电子器件，该驱动电路可以克服已有驱动电路不能直接测量通过电力电子器件电流的问题，使用一个或多个不同量程的电流传感器直接测量电流，从而监测电力电子器件工作状态，反馈状态信息并执行相应的控制保护策略，提高电力电子器件以及混合直流断路器的可靠性。
[0008]本发明提出的一种基于电流测量的电力电子器件驱动电路，该电路包括:电源管理模块，触发模块，开通模块，关断模块，状态监测模块，状态反馈模块，逻辑控制模块;其特征在于，该状态监测模块除包括电源监测器，电压监测器，状态监测器之处，还包括电流监测器和电流直接测量传感器，用于监测驱动电路供电电源电压、门极电压、器件两端电压、通过器件的电流;其中，驱动电路的电源管理模块与其他各模块相连，外部电路电源经驱动电路的电源管理模块转换为各个电压，对其他各模块供电；触发模块接收外部触发信号并输入至逻辑控制模块，无故障状态时执行开通或关断命令;开通模块、关断模块与电力电子器件相连，为器件提供门极电压或电流，从而使器件开通、关断;状态反馈模块与逻辑控制模块相连，通过光纤向外部反馈器件的导通关断状态、器件导通电流、是否过流、是否老化严重信息；逻辑控制模块分别与触发模块、开通模块、关断模块、状态监测模块相连与混合直流断路器整体控制系统相配合，根据接收的触发模块、状态监测模块的信息，执行器件正常开通或关断操作，同时监测驱动电路供电电源电压、门极电压、器件两端电压、通过器件的电流，对器件进行保护。
[0009]本发明提出的一种采用上述驱动电路的控制方法，其特征在于，该方法包括:
[0010](I)在混合直流断路器关断过程中，电流从机械开关通流支路转移至电力电子器件串联的断流支路后，状态监测模块将测量的通态电流传送至逻辑控制模块，逻辑控制模块判断过流情况并通过状态反馈模块上报断路器整体控制系统，若器件通态电流过大，即线路短路电流接近电力电子器件关断能力，在故障电流超过电力电子器件关断能力极限之前，关断电力电子器件串联支路，防止器件过流关断损坏。
[0011](2)在混合直流断路器关断完成后，电力电子器件串联支路耐受直流母线电压，串联的每个电力电子器件分别与一个断路器固有的静态均压电阻并联，进行静态均压。状态监测模块监测器件的断态漏电流，该器件漏电流超过预定值后，状态监测模块将测量该电力电子器件的漏电流传送至逻辑控制模块，并通过状态反馈模块将该器件老化情况上报断路器整体控制系统，在下次断路器检修时更换器件或采取相关措施，降低器件在断路器动作过程中的损坏隐患，提高断路器整体可靠性。若器件串联支路老化数量较多，则断路器需立即停机更换器件。
[0012]本发明提出的应用于混合直流断路器中基于电流测量的电力电子器件驱动电路和控制方法，其优点是:
[0013]1、已有驱动电路只能通过测量器件通态压降间接测量通态电流，受结温影响大，且精度低;本发明的驱动电路克服了已有驱动电路的缺陷，采用一个或多个不同量程的电流传感器(如TMR电流传感器、GMR电流传感器或其他具有相应性能的电流传感器等)直接测量通态电流，测量频域宽、量程大、精度高、成本低、体积小；
[0014]2、本发明的驱动电路的控制方法通过测量通态kA级电流，对电流过大的情况采取相应的过流控制保护策略，使电力电子器件得到保护，降低器件损坏的风险；
[0015]3、本发明的驱动电路的控制方法通过测量器件关断状态的mA级漏电流，监控器件的老化程度，将漏电流过大的情况反馈至混合直流断路器的整体控制系统，从而采取相应控制保护策略，提高断路器整体可靠性。
[0016]4、该驱动电路可应用于各种电力电子器件(如IGBT、IGCT等)，主要针对于混合直流断路器应用，也适用于变流器等其他电力电子器件应用。
【附图说明】
[0017]图1为已有的混合直流断路器结构示意图。
[0018]图2为已有的电力电子器件驱动电路结构示意图。
[0019]图2中，I是电源管理模块，2是触发模块，3是开通模块，4是关断模块，5是状态监测模块，包括电源监测器5a，器件两端电压监测器5b，其他状态检测器5c，6是状态反馈模块，7是逻辑控制模块，8是电力电子器件，包括IGBT、IGCT等。
[0020]图3为本发明的电力电子器件驱动电路结构示意图。
[0021]图3中，I是电源管理模块，2是触发模块，3是开通模块，4是关断模块，5是状态监测模块，包括电源监测器5a，器件两端电压监测器5b，电流监测5d，其他状态检测5c和电流直接测量传感器5e，6是状态反馈模块，7是逻辑控制模块，8是电力电子器件，包括IGBT、IGCT等，9是屏蔽外界磁场干扰的磁环。
【具体实施方式】
[0022]本发明提出的基于电流测量的电力电子器件驱动电路及控制方法结合附图及实施例说明其结构、工作原理及控制方法如下:
[0023]本发明基于电流测量的电力电子器件驱动电路的结构如图3所示，该电路包括:电源管理模块I，触发模块2，开通模块3，关断模块4，状态监测模块5，状态反馈模块6，逻辑控制模块7;本发明的改进之处在于，状态监测模块除包括电源监测器5a，器件两端电压监测器5b，其他状态检测器5c之处，还包括与电力电子器件8相连的电流监测器5d和电流直接测量传感器5e;其中，驱动电路的电源管理模块与其他各模块相连，外部电路电源经驱动电路的电源管理模块转换为各个电压，对其他各模块供电;触发模块2接收外部触发信号并输入至逻辑控制模块，无故障状态时执行开通或关断命令;开通模块3、关断模块4与电力电子器件8相连，根据电力电子器件类型(如压控型的IGBT、流控型的IGCT等)为器件提供门极电压或电流，从而使器件开通、关断;状态反馈模块6与逻辑控制模块7相连，通过光纤向外部反馈器件的导通关断状态、器件导通电流、是否过流、是否老化严重等信息;逻辑控制模块7分别与触发模块、开通模块、关断模块、状态监测模块相连(与混合直流断路器整体控制系统相配合)，根据接收的触发模块、状态监测模块的信息，执行器件正常开通或关断操作，同时对器件进行保护;态监测模块中的电流监测器5d和电流直接测量传感器5e，用于监测驱动电路供电电源电压、门极电压、器件两端电压、通过器件的电流等。
[0024]本发明的驱动电路中改进的器件具体实现方式及功能说明如下:
[0025]状态监测模块使用一个或多个不同量程的电流传感器(如高性能基于隧道磁阻效应TMR电流传感器、基于巨磁阻效应GMR电流传感器或其他具有相应性能的电流传感器等)直接测量通过电力电子器件的电流，若单个电流传感器无法满足全电流精度要求，可使用多个不同量程的电流传感器组合，分别测量通态kA级大电流和断态mA级漏电流。总测量量程覆盖mA级至kA级，可兼顾器件关断状态的mA级漏电流和开通状态的kA级通态大电流，测量频域从直流到MHz量级；电流直接测量传感器满足大量程、高精度、宽频带、小体积、低成本、非侵入式等特点。
[0026]逻辑控制模块还用于对电力电子器件电流异常情况的保护，对器件开通状态的过流情况和关断状态漏电流的老化程度进行监测，通过状态反馈模块将电流测量结果、是否过流、是否老化等信息反馈至混合直流断路器的整体控制系统，整体控制系统与串联电力电子器件的各个驱动电路逻辑控制模块相结合，对断路器及串联的各个电力电子器件进行控制，用以降低器件损坏或断路器关断失败的风险，提高断路器整体可靠性。
[0027]此外本发明的驱动电路还可包括设置在电力电子器件外壳外周的磁环9，在外界磁场干扰较大的环境中，用以屏蔽外界磁场对电力电子器件的干扰。磁环9采用与电力电子器件尺寸相匹配的常规产品即可。
[0028]本发明的驱动电路的控制方法为:
[0029](I)在混合直流断路器关断过程中，电流从机械开关通流支路转移至电力电子器件串联的断流支路后，状态监测模块将测量的通态电流传送至逻辑控制模块，逻辑控制模块判断过流情况并通过状态反馈模块上报断路器整体控制系统，若器件通态电流过大，即线路短路电流接近电力电子器件关断能力，在故障电流超过电力电子器件关断能力极限之前，关断电力电子器件串联支路，防止器件过流关断损坏。
[0030](2)在混合直流断路器关断完成后，电力电子器件串联支路耐受直流母线电压，串联的每个电力电子器件分别与一个断路器固有的静态均压电阻并联，进行静态均压。状态监测模块监测器件的断态漏电流(若个别电力电子器件老化明显，则漏电流增加，通常漏电流从几毫安增加至几十毫安或上百毫安)，该器件漏电流超过预定值(即器件安全工作时所承受的最大漏电流)后，状态监测模块将测量该电力电子器件的漏电流传送至逻辑控制模块，并通过状态反馈模块将该器件老化情况上报断路器整体控制系统，在下次断路器检修时更换器件或采取相关措施，降低器件在断路器动作过程中的损坏隐患，提高断路器整体可靠性。若器件串联支路老化数量较多，则断路器需立即停机更换器件。
[0031]本发明的驱动电路也可应用于电力电子器件的变流器等其他应用中，使用本发明的驱动电路，对器件通态电流及断态漏电流进行监测，当电流异常时，驱动电路与整体控制系统配合，采取相应控制方法，保护电力电子器件和设备。
[0032]上述控制方法均采用常规编程技术编制成控制程序预先存储在驱动电路的相应模块中。
【主权项】
1.一种基于电流测量的电力电子器件驱动电路，该电路包括:电源管理模块，触发模块，开通模块，关断模块，状态监测模块，状态反馈模块，逻辑控制模块;其特征在于，该状态监测模块除包括电源监测器，电压监测器，状态监测器之处，还包括电流监测器和电流直接测量传感器，用于监测驱动电路供电电源电压、门极电压、器件两端电压、通过器件的电流；其中，驱动电路的电源管理模块与其他各模块相连，外部电路电源经驱动电路的电源管理模块转换为各个电压，对其他各模块供电;触发模块接收外部触发信号并输入至逻辑控制模块，无故障状态时执行开通或关断命令;开通模块、关断模块与电力电子器件相连，为器件提供门极电压或电流，从而使器件开通、关断;状态反馈模块与逻辑控制模块相连，通过光纤向外部反馈器件的导通关断状态、器件导通电流、是否过流、是否老化严重信息;逻辑控制模块分别与触发模块、开通模块、关断模块、状态监测模块相连与混合直流断路器整体控制系统相配合，根据接收的触发模块、状态监测模块的信息，执行器件正常开通或关断操作，同时监测驱动电路供电电源电压、门极电压、器件两端电压、通过器件的电流，对器件进行保护。2.如权利要求1所述的驱动电路，其特征在于，所述电流监测器和电流直接测量传感器采用多个不同量程的TMR电流传感器、GMR电流传感器或其他具有相应性能的电流传感器进行组合，用以直接测量通过电力电子器件的通态kA级大电流和断态mA级漏电流，测量频域从直流到MHz量级。3.如权利要求1所述驱动电路，其特征在于，所述的逻辑控制模块还用于对电力电子器件电流异常情况的保护，对器件开通状态的过流情况和关断状态漏电流的老化程度进行监测，通过状态反馈模块将电流测量结果、是否过流、是否老化等信息反馈至混合直流断路器的整体控制系统，整体控制系统与串联电力电子器件的各个驱动电路逻辑控制模块相结合，对断路器及串联的各个电力电子器件进行控制，降低器件损坏或断路器关断失败的风险，提尚断路器整体可靠性。4.如权利要求1、2或3所述驱动电路，其特征在于，所述驱动电路还包括设置在电力电子器件外壳外周的磁环，用以屏蔽外界磁场对电力电子器件的干扰。5.一种采用如权利要求1所述驱动电路的控制方法，其特征在于，该方法包括: (1)在混合直流断路器关断过程中，电流从机械开关通流支路转移至电力电子器件串联的断流支路后，状态监测模块将测量的通态电流传送至逻辑控制模块，逻辑控制模块判断过流情况并通过状态反馈模块上报断路器整体控制系统，若器件通态电流过大，即线路短路电流接近电力电子器件关断能力，在故障电流超过电力电子器件关断能力极限之前，关断电力电子器件串联支路，防止器件过流关断损坏。 (2)在混合直流断路器关断完成后，电力电子器件串联支路耐受直流母线电压，串联的每个电力电子器件分别与一个断路器固有的静态均压电阻并联，进行静态均压。状态监测模块监测器件的断态漏电流，该器件漏电流超过预定值后，状态监测模块将测量该电力电子器件的漏电流传送至逻辑控制模块，并通过状态反馈模块将该器件老化情况上报断路器整体控制系统，在下次断路器检修时更换器件或采取相关措施，降低器件在断路器动作过程中的损坏隐患，提高断路器整体可靠性。若器件串联支路老化数量较多，则断路器需立即停机更换器件。
【文档编号】H02M1/00GK105896938SQ201610284057
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月29日
【发明人】陈政宇, 曾嵘, 欧阳勇, 王中旭, 余占清
【申请人】清华大学