一种基于igbt的双向固态开关的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种基于IGBT的双向固态开关，所述双向固态开关包括依次连接的IGBT模块关断吸收回路、IGBT模块主回路、IGBT驱动模块及配套的控制系统，所述的IGBT模块主回路包括至少一对反向串联的IGBT模块，形成双向通流回路，回路的两端即为双向固态开关的两接线端。本实用新型的基于IGBT的双向固态开关具有双向通流能力的固态直流开关设备，并且具有良好的散热功能、驱动功能及完善的保护功能。
【专利说明】
一种基于IGBT的双向固态开关
技术领域
[0001 ] 本实用新型属于电力电子技术领域，具体涉及一种基于IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)的双向固态开关技术的拓扑。
【背景技术】
[0002]随着多端直流输配电技术的发展和现代电力系统容量的不断增加，电力系统一旦发生短路故障，短路电流将会迅速增大至电力电子器件所能承受的最大值以上，从而造成整个电力系统较大程度的损坏。直流断路器作为承载直流运行支路正常电流以及各种故障电流的开关设备，可提高直流配电系统的可靠性，也是直流输、配电网运行、控制和保护的基础，已成为系统安全运行和保护的关键设备，对防止故障范围扩大有着重大意义。直流电流因没有过零点带来的灭弧问题、关断过程产生的过电压问题和能量吸收问题给研制高压大容量直流断路器带来巨大困难，直流断路器成为制约直流电网研究与应用的技术瓶颈之一，一直是直流电力系统中的难点和关注的焦点。
[0003]常用的机械断路器受其自身物理机构的限制，当其动、静触头分开时会产生电弧，延长了故障电流的切除时间，往往需要数十乃至上百毫秒的时间才能分断电路。由于直流系统短路电流上升速度很快，因而不仅不能对短路电流起到有效的抑制作用，而且短路电流峰值可能会超过断路器的极限分段能力，导致断路器无法分断，给整个系统带来破坏性的危害。
[0004]与传统的机械断路器相比，基于功率半导体器件的固态断路器具有无电弧、快速、精确和可靠的分断性能，应用前景非常广阔。
[0005]目前研究较多的直流固态断路器分别有“限流型”和“直接分断型”两种基本类型，参见图1和图2。限流型固态断路器通过LC强迫换流电路对主晶闸管进行关断，从而实现短路故障电流的分断。由于LC电路的参数设计与主晶闸管的关断电流值紧密相关，导致能够正常分断短路故障电流的LC电路参数无法快速完成系统小电流的分断。另外LC电路的参数决定了主晶闸管电流为零后的反向电压持续时间，为了提供足够的反压持续时间实现主晶闸管的可靠关断，需要减小关断电流，或是增加电容的初始储能量，这会导致断路器分断能力降低，或是使其体积变大。而直接分断型固态断路器利用可关断半导体器件实现短路电流的快速分断，在器件串并联应用时，难以可靠完成故障大电流的分断，阻碍断路器向高压大电流方向的进一步发展。
【实用新型内容】
[0006]本实用新型的目的在于提供一种能够实现直流母线的开通关断，具有双向通流能力的固态直流开关设备。
[0007]为此，本实用新型提出的一种基于IGBT的双向固态开关，其特征在于包括依次连接的IGBT模块关断吸收回路、IGBT模块主回路、IGBT驱动模块及配套的控制系统，所述的IGBT模块主回路包括至少一对反向串联的IGBT模块，形成双向通流回路，回路的两端即为双向固态开关的两接线端。
[0008]优选地，本实用新型还可包括如下特征:
[0009]所述的配套的控制系统包括了辅助电源、实现控制方式的光纤分配板及其软件控制模块，所述辅助电源采用开关电源给控制系统和每相IGBT的驱动模块供电；光纤分配板通过IGBT驱动模块(3)连接到反向串联的2个IGBT模块。
[0010]所述的光纤分配板，利用FPGA作为核心控制，对输入输出信号进行转接和分配。
[0011]GBT驱动模块(3)集成于所述的光纤分配板的底座，形成集成驱动底座。
[0012]对于光纤输入的触发信号，经两个驱动器转接成两路输出驱动信号，再通过驱动器连接到反向串联的2个IGBT模块;对于输出状态信号，两路由驱动模块返回的状态信号经光纤分配板上的主控制器FPGA编码汇总为一路信号，再经过转换光纤输出传送给两个外部主控制器。
[0013]所述光纤分配板还集成了通信地址设置功能、人工按钮功能模块;并且由FPGA控制开断信号，经光耦继电器输出控制散热风机的启停。
[0014]所述人工按钮包括复位按钮、检修按钮及手动控制按钮;保护系统命令断路器跳闸后，断路器不会再接受开通命令，这时需要中央控制器发送复位命令，才能使断路器可以接受开通命令，同时固态开关上有的手动按钮可进行手动复位控制；“检修按钮”，即检修状态下断路器不接受任何远程控制，只能手动控制;在检修状态下，如果需要控制固态开关的通断，则利用手动按钮即可控制。
[0015]所述的IGBT模块关断吸收回路(I)包括RC关断吸收回路以及尖峰浪涌吸收电路(MOV);所述RC关断吸收回路选用无感电容和无感电阻串联实现。
[0016]所述的IGBT驱动模块(3)采用具有有源嵌位功能的驱动器，并将驱动底座板与光纤分配板设计为一体。
[0017]本实用新型的优点在于:反向串联的两个IGBT管具有双向通流能力，IGBT模块主回路中，两个IGBT通路方向相反，可通过两个IGBT的开/关来控制两个流向的通/断。
[0018]在本实用新型的一些优选方案中，还具有如下优点:具有良好的散热功能、驱动功能及完善的保护功能。
【附图说明】
[0019]图1是现在技术中“限流型”直流固态断路器示意图。
[0020]图2是现有技术中“直接分断型”直流固态断路器示意图。
[0021 ]图3是本实用新型实施例系统结构原理示意图。
[0022]图4是本实用新型实施例光纤分配板控制框图。
[0023]图5是本实用新型实施例软件流程图。
【具体实施方式】
[0024]本实用新型实施例的基于IGBT的双向固态开关，主要由固态开关模组及其配套的控制系统两部分组成。如图3所示。
[0025]所述的固态开关模组的构成包括了IGBT模块关断吸收回路1、IGBT模块主回路2和IGBT驱动模块3;
[0026]所述的配套的控制系统4包括了辅助电源(即图中“开关电源”)、实现控制方式的光纤分配板及其软件控制模块；
[0027]所述的IGBT模块关断吸收回路I，每个模组均设计有RC关断吸收回路以及尖峰浪涌吸收电路(MOV)，由于MOV存在响应延时，在关断瞬间MOV不能马上完全击穿形成保护，因此需要RC回路进行迅速吸收，对于RC回路，选用无感电容和无感电阻串联实现；
[0028]所述的IGBT模块主回路2包括了一对反向串联的IGBT模块，形成双向通流回路。IGBT模块可选用富士 2MBI200VH-170-50，此模块以半桥拓扑封装有两个IGBT管。实际应用中使用两个此型号IGBT模块，当其中反向串联的一对IGBT管损坏时，另外两只IGBT管可替换使用；(每个模块封装有两个IGBT管，两个IGBT模块共组成两对反向串联的IGBT管，使用时只用其中一对，所以图中只画出一对)。
[0029]所述的IGBT驱动模块3采用具有有源嵌位功能的青铜剑科技2QD0108T17-C驱动器，将驱动底座板与光纤分配板设计为一体，驱动器可直接插在驱动底座上使用；
[0030]所述的配套的控制系统4的辅助电源采用开关电源给控制系统和每相IGBT的驱动模块供电。选用电源为220VAC/24VDC开关电源，输入输出耐压3kV，结合驱动器功率及风机功率，开关电源功率不小于50W;
[0031 ] 所述的光纤分配板，利用FPGA(Spartan-6 XC6SLX9)作为核心控制，对输入输出信号进行转接和分配，并集成驱动底座功能，其中:
[0032]I)对于光纤输入的触发信号，经两个驱动器转接成两路输出驱动信号，再通过驱动器连接到反向串联的2个IGBT模块。
[0033]2)对于输出状态信号，两路由驱动模块返回的状态信号经光纤分配板上的主控制器FPGA编码汇总为一路信号，再经过转换光纤输出传送给两个外部主控制器(是属于外部的主控制器，图中没有画出)。
[0034]这样保证对外接口为2进2出四路光纤，同时，由FPGA控制开断信号，经光耦继电器输出控制散热风机的启停。此外，光纤分配板还集成了通信地址设置功能、人工按钮(复位按钮、检修按钮及手动控制按钮)功能。
[0035]光纤板的具体控制框图如下图4所示。
[0036]所述的通信地址设置功能，通过拨码开关可设定每个固态开关模组的通信地址。一共10位拨码开关可以组成10位二进制编码，最大可以设定1024个通信地址。
[0037]所述的人工按钮功能，分别为复位按钮、检修按钮及手动控制按钮。它们的控制逻辑关系描述如下:
[0038]保护系统命令断路器跳闸后，断路器不会再接受开通命令，这时需要中央控制器发送复位命令，才能使断路器可以接受开通命令。同时固态开关上有一个手动按钮，可进行手动复位控制；固态开关上有“检修按钮”，即检修状态下断路器不接受任何远程控制，只能手动控制;在检修状态下，如果需要控制固态开关的通断，则利用手动按钮即可控制。
[0039 ]所述的软件控制方式，流程图如图5所示。
[0040]本实用新型上述实施例的优点是:
[0041]1、拓扑结构简单新颖:本实用新型拓扑属于直接分断型的一种，可双向通流；
[0042]2、能够快速无弧切断直流故障大电流:本实用新型所使用的IGBT的开通时间和关断时间都不到一百纳秒，相比于机械式断路器上百毫秒的关断时间来说是相当快速的；IGBT的开关没有动静触头的闭合分离，故而不会产生电弧;本实用新型所使用的IGBT的额定通态电流为200A，故而可有效关断200A以下的电流。
[0043]3、具有双向通流能力:反向串联的两个IGBT管具有双向通流能力，在图3的IGBT模块主回路2中，Tl、D2通路和T2、D1通路方向相反，可通过Tl或T2的开/关来控制两个流向的通/断。
[0044]4、控制方式多样化:既可通过光纤信号进行远程控制也可通过人工按钮进行手动控制。
[0045]5、集成度高:光纤分配板集成了控制系统、驱动底座功能、通信地址设置功能、人工按钮功能等。
[0046]6、IGBT关断过电压可靠嵌位:本实用新型所使用的IGBT驱动器配合集成于光纤分配板上的驱动底座，具有完善的IGBT过压保护功能，包括了有源箝位功能和短路保护功能。
[0047]7、关断能量吸收迅速:在IGBT模块关断吸收回路中，由于在IGBT关断瞬间MOV存在响应延时，故而需要能够迅速吸收能量的RC回路进行缓冲，直至MOV被击穿形成保护。
[0048]以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效装置或等效方法变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
【主权项】
1.一种基于IGBT的双向固态开关，其特征在于包括依次连接的IGBT模块关断吸收回路(1)、IGBT模块主回路(2)、IGBT驱动模块(3)及配套的控制系统(4)，所述的IGBT模块主回路(2)包括至少一对反向串联的IGBT模块，形成双向通流回路，回路的两端即为双向固态开关的两接线端。2.如权利要求1所述的基于IGBT的双向固态开关，其特征在于:所述的配套的控制系统(4)包括了辅助电源、实现控制方式的光纤分配板及其软件控制模块，所述辅助电源采用开关电源给控制系统和每相IGBT的驱动模块供电；光纤分配板通过IGBT驱动模块(3)连接到反向串联的2个IGBT模块。3.如权利要求2所述的基于IGBT的双向固态开关，其特征在于:所述的光纤分配板，利用FPGA作为核心控制，对输入输出信号进行转接和分配。4.如权利要求3所述的基于IGBT的双向固态开关，其特征在于:IGBT驱动模块(3)集成于所述的光纤分配板的底座，形成集成驱动底座。5.如权利要求3所述的基于IGBT的双向固态开关，其特征在于:对于光纤输入的触发信号，经两个驱动器转接成两路输出驱动信号，再通过驱动器连接到反向串联的2个IGBT模块;对于输出状态信号，两路由驱动模块返回的状态信号经光纤分配板上的主控制器FPGA编码汇总为一路信号，再经过转换光纤输出传送给两个外部主控制器。6.如权利要求3所述的基于IGBT的双向固态开关，其特征是:所述光纤分配板还集成了通信地址设置功能、人工按钮功能模块;并且由FPGA控制开断信号，经光耦继电器输出控制散热风机的启停。7.如权利要求6所述的基于IGBT的双向固态开关，其特征是:所述人工按钮包括复位按钮、检修按钮及手动控制按钮;保护系统命令断路器跳闸后，断路器不会再接受开通命令，这时需要中央控制器发送复位命令，才能使断路器可以接受开通命令，同时固态开关上有的手动按钮可进行手动复位控制；“检修按钮”，即检修状态下断路器不接受任何远程控制，只能手动控制;在检修状态下，如果需要控制固态开关的通断，则利用手动按钮即可控制。8.如权利要求1所述的基于IGBT的双向固态开关，其特征是:所述的IGBT模块关断吸收回路(I)包括RC关断吸收回路以及尖峰浪涌吸收电路(MOV);所述RC关断吸收回路选用无感电容和无感电阻串联实现。9.如权利要求2所述的基于IGBT的双向固态开关，其特征是:所述的IGBT驱动模块(3)采用具有有源嵌位功能的驱动器，并将驱动底座板与光纤分配板设计为一体。
【文档编号】H03K17/567GK205544196SQ201521140966
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2015年12月31日
【发明人】何强, 蒋成明, 雷仕建, 于洋
【申请人】深圳青铜剑科技股份有限公司