级联并联通用型电力电子功率模块的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电力电子领域，特别是涉及一种使用光纤连接和驱动的通用可级联并联的功率模块，对其进行简单高效的二次开发后可形成绝大多数电力电子设备，应用于风电、光伏、变频调速等领域。
【背景技术】
[0002]在电力电子技术飞速发展、产品工程越来越复杂的环境中，客户对电力电子设备个性化需求不断增加，导致设备定制化趋势越来越明显。使用智能化、模块化功率模块的不同组合方式可以配置生成多样化的产品，来满足不同行业对电力电子设备的需求，可以省去系统开发时很多的重复工作，同时提高设备可靠性、降低维护难度。
[0003]级联并联通用型功率模块是使用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)作为功率开关元件，包括相应的控制电路、驱动及保护电路、光纤通讯单元、人机交互接口及散热结构的集成化电力电子核心模块。功率模块作为功率变换的核心部件，以标准的电气接口和机械接口提供给使用者。功率模块的级联连接可降低电力电子设备的du/dt值和设备中的谐波含量；而功率模块的并联可在现有开关器件功率水平基础上，大大提高电力电子设备的容量。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种改进的级联并联通用型电力电子功率模块。
[0005]本实用新型包括如下技术方案。
[0006]—种级联并联通用型电力电子功率模块，其特征在于，所述功率模块包括:
[0007]控制单元，所述控制单元用于经由光纤与上层控制中心通信；
[0008]PWM调理板，所述PWM调理板用于接收所述控制单元生产的PWM信号和故障信号；
[0009]驱动板，所述驱动板用于接收来自所述PWM调理板的PWM信号；
[0010]开关器件，所述开关器件用于接收所述驱动板滤波和整形处理后的PWM信号。
[0011 ] 优选地，所述控制单元包括DSP和FPGA。
[0012]优选地，所述FPGA包括地址转换模块、主控制模块、AD控制模块和编码解码模块，
[0013]所述地址转换模块经由地址总线与所述主控制模块、所述AD控制模块和所述编码解码模块相连，而将所述主控制模块、所述AD控制模块和所述编码解码模块的数据线进行复用。
[0014]优选地，所述主控制模块用于接收DSP的控制指令，然后触发所述地址转换模块、所述AD控制模块和所述编码解码模块工作。
[0015]优选地，所述上层控制中心经由光纤连接到所述FPGA。
[0016]优选地，所述功率模块包括三个所述驱动板，
[0017]所述FPGA能够将6路PWM信号输出到所述PWM调理板，所述PWM调理板向每个驱动板输出2路PWM信号。
[0018]优选地，所述功率模块还包括模拟量采集及调理电路，所述模拟量采集及调理电路用于将采集到的模块信息输出给所述控制单元。
[0019]优选地，所述开关器件为IGBT，
[0020]所述驱动板包括用于提供IGBT的栅极过压保护、集电极与发射极间的过压保护及驱动电源欠压保护的保护电路。
[0021 ] 优选地，所述功率模块为沟槽式金属壳体。
[0022]本实用新型的级联并联通用型功率模块的出现大大减少了电力电子设备的硬件电路设计和软件开发的工作量，为设计容量大、谐波含量低、可靠性高的电力电子设备提供了一种行之有效的快速的解决方案。
【附图说明】
[0023]图1为根据本实用新型的一个实施方式的级联并联通用型电力电子功率模块的内部电路结构框图；
[0024]图2为控制单元的软件结构；
[0025]图3为控制单元内的DSP和FPGA程序流程图；
[0026]图4为控制单元的FPGA程序原理框图；
[0027]图5为由功率模块控制单元做上层控制中心，功率模块级联构成的电力电子系统；
[0028]图6为由功率模块控制单元做上层控制中心，功率单元并联构成的电力电子系统；
[0029]图7为由功率模块控制单元做上层控制中心，功率单元级联并联构成的电力电子系统。
【具体实施方式】
[0030]本实用新型的级联并联通用型电力电子功率模块(以下简称“功率模块”)可以包括功率器件、直流电容、吸收电容、母排、电流传感器、散热器、控制单元、PWM调理板、驱动和保护电路、模拟量采样及调理电路、光纤通讯接口、散热器。其中，功率器件为由开关器件(IGBT)构成的三相桥臂电路。控制单元由DSP和FPGA构成，用于接收由上层控制中心发来的指令信号，处理并生成PWM脉冲信号；同时，该控制单元是一个通用控制板，其硬件电路和底层软件可用作上层电力电子设备的控制中心，通过光纤与各功率模块的连接并控制其运行。驱动和保护电路接收来自模块控制单元的PWM信号，经过处理后连接至IGBT，并将保护信号反馈给控制单元。模拟量采样及调理电路将采集的模块信息输出给模块控制单元。光纤通讯接口通过两根光纤连接功率模块与上层控制中心或其他级联、并联的功率模块，进行信息交换。功率模块采用风冷散热。
[0031 ] 模块的控制单元中，DSP通过光纤接收来自上层控制中心SVPWM算法中的中间变量α、β信号，6路PWM信号经DSP计算获得。这使得功率模块与上层控制中心的信息交换只需两根光纤连接，减轻了上层控制中心的负担的同时大大简化了系统的结构。
[0032]现场可编程门阵列FPGA管脚众多，易实现大规模系统，内部程序并行运行，运行速度快。DSP与FPGA之间的并口通信相比串口通信更能满足高速传递数据的要求，FPGA作为DSP的外扩器件，实际上是硬件设计的一种延续。通过FPGA实现上下级功率模块以及主控制系统的信息互通，执行上级下发的控制及AD采集等指令，并上传重要的数字量输入等信息，DSP通过中断接收FPGA上传数据。两者的通信是数据传输的核心部分。
[0033]PWM调理板输入控制单元生成的6路PWM信号，对其进行上下管互锁和增强驱动处理，同时接收模拟量采样及调理电路生成的故障信息，进行故障闭锁。输出调理后的6路PWM信号至模块内的三个驱动和保护电路。
[0034]功率模块内部的三个驱动和保护电路，分别驱动三个桥臂中的一个桥臂。驱动板中的保护电路提供IGBT的栅极过压保护、集电极与发射极间的过压保护及驱动电源欠压保护。
[0035]模拟量采样及调理电路功能丰富，可采集直流电压、桥路电流、IGBT散热器温度等信号，另在故障处理时有硬件保护功能，能快速封锁脉冲，保护电路。
[0036]光纤通讯接口用于模块与上层控制中心和其它模块的数据交换，每个光纤通讯接口分上行和下行两条线路。
[0037]本实用新型的一个突出特点是组合能力强。本模块是专门为扩大电力电子产品容量、提高电力电子产品性能研发，重点应用领域是大功率电力电子领域，实现方法为功率模块的级联和并联。围绕这一目标，系统在多个方面都有针对性的设计:结构上为功率模块设计沟槽式金属壳体，维修与更换便捷；控制单元采用DSP与FPGA结合的方式，控制单元处理信息和对外接口的能力强；控制方法采用同步信号处理方式，每包数据含系统同步数，保证脉冲信号同时发出，避免因控制信号不同步产生环流，损坏电路，根据应用场合和方法不同可独立设定每路脉冲相位；每个控制单元上包含多个光纤通信模块为功率模块的级联并联提供可靠保障；采用并联均流技术实现功率模块内部IGBT并联，以满足功率和可靠性要求。
[0038]本实用新型的第二个突出特点是功率模块与上层控制系统、功率模块之间的连接非常简单可靠。它们之间的连接信号为SVPWM控制的中间变量一一 α β指令，加上功率模块反馈的自身信息，各模块间只需两根光纤即可完成连接，而非目前普遍采用的6路PWM信号。其优点在功率模块组合多的大功率场合尤为突出，电力电子装置的容