专利名称：一种igbt串联阀触发监控系统及其通信方法
技术领域：
本发明属于电力电子及电力系统领域，具体涉及一种IGBT串联阀触发监控系统及其通信方法。
背景技术：
20世纪80年代中期出现的半导体电力开关器件——绝缘栅双极型功率管 IGBTdnsulated Gate Biploar ^Transistor)是一种复合器件，它的输入控制部分为 MOSFET管，输出级为双极结型晶体管，兼有MOSFET管和电力晶体管的优点高输入阻抗， 电压控制，驱动功率小，开关速度快，工作频率可达10-40kHz，饱和压降低，电压、电流容量较大，安全工作区较宽，但是由于单只IGBT器件所能承受的电压优先，很难满足高压、大功率领域的需求。为了提高IGBT应用的电压等级，通常采用IGBT串联的方法。随着电力电子技术在电力系统中应用的逐步推广，基于IGBT串联均压技术的高压阀正在成为各种新型大功率电力电子装置的核心部件，例如电压源换流器型直流输电系统VSC-HVDC(Voltage Vource Converter Based HVDC)、静止同步补偿器 STATCOM(Static Synchronous Compensator)、统一潮流控制器 UPFC(Unified Power Flow Controller)等。IGBT的串联结构要求阀中所有IGBT的开通和关断严格同步，否则提前关断或延迟开通的器件将会承受过电压，造成器件损坏。为实现IGBT的同步开通、关断，必须在阀控制器和IGBT门极驱动单元之间增加一个阀基电子设备，将阀控制器产生的触发控制信号同步分配给阀中的各个IGBT。另外，IGBT门极驱动单元直接连接并安装在IGBT上，处于高压侧，而阀基电子设备处于地电位侧，应考虑两者之间信息的传递。常用的IGBT驱动方式是将脉冲宽度调制PWM触发信号经过必要的整形放大处理直连到IGBT的门极。PWM信号的特点本身决定了它只包含开通和关断两种触发控制信息， 且表现为连续的高低电平交替变换。这就决定了这种PWM通信方式，线路是以较高的开销来传输非常低的信息量，造成通信效率低和线路损耗大。在高压IGBT串联阀中，除了阀触发脉冲分配环节要向IGBT驱动单元传输PWM开通和关断信号外，IGBT驱动单元还需要向阀触发脉冲传输IGBT的工作状态回报信号，状态回报信号包含IGBT是否处于过压、过dv/dt、 正电压丢失和短路故障等信息，这就要考虑信号的传输。通过增加通信线路数，将各种待传信号按照并行方式进行传输，可以解决此问题，但在高压大功率应用领域中，每个串联阀对应一个阀基电子设备，而每个串联阀包含的IGBT数量则较多，如300kV换流器中串联阀通常包括上百只IGBT的串联，且每只IGBT对应一个驱动单元。单纯依靠增加线路数来提高通信信息容量会导致设备间线路连接数量增多、接口电路规模庞大以及线路成本上升。
发明内容
本发明的目的是针对设备间线路连接数量增多、接口电路规模庞大以及线路成本上升问题，提出供一种IGBT串联阀触发监控系统及针对这种监控系统提出的触发及状态回报信号的通信方法。该通信方法将各种状态回报信号按照一定的规则进行编码，在一条
3线路上完成分时传输。由于IGBT各种故障出现的时间不同，采用这种通信方法在增加了通信信息量的同时，不会影响通信的实时性，并可提高通信效率，降低线路损耗。其通信方法的原理主要是根据IGBT在工作时每个开关周期中过压和过dv/dt故障、正电压丢失故障和短路故障等出现的不同位置以及各种故障不会同时出现，根据故障出现的时间将每个IGBT 开关周期划分为若干个工作时段，在各工作时段进行相应的故障检测，并将故障检测信息作为状态回报信号通过同一根光纤分时传输。本发明的目的是采用下述技术方案实现的一种IGBT串联阀触发监控系统，其改进之处在于，所述监控系统包括阀基电子设备VBE、IGBT驱动单元；所述阀基电子设备和IGBT驱动单元通过光纤连接；所述IGBT驱动单元与绝缘双极型功率管IGBT电气连接。本发明提供的一种优选的技术方案是所述阀基电子设备VBE包括编码模块、解码模块、光发射器和光接收器；所述编码模块和解码模块通过FPGA控制电路实现。本发明提供的第二优选的技术方案是所述IGBT驱动单元包括光接收器、光发射器、解码模块、触发电路、状态检测模块和保护状态回报模块；所述光发射器和光接收器通过光纤分别与阀基电子设备的光接收器和光发射器连接；所述解码模块、状态检测模块和保护状态回报模块通过FPGA控制电路实现。本发明基于另一目的提供的一种如上述所说监控系统的通信方法，其改进之处在于，所述方法根据故障出现的时间将每个IGBT开关周期划分为至少一个工作时段；所述方法包括下述步骤A、所述阀基电子设备VBE接收上级阀控制器中产生的PWM触发脉冲信号；B、所述编码模块将所述PWM触发脉冲信号和IGBT工作时段信息按照编码方式转换成IGBT驱动单元可识别的脉冲信号；所述可识别的脉冲信号通过光纤传输给IGBT驱动单元；C、所述IGBT驱动单元中的解码模块将接收到的可识别的脉冲信号进行解码，使所述脉冲信号还原为编码前的形式，所述编码前的形式即PWM触发脉冲信号和IGBT工作时段信息；D、所述IGBT驱动单元从编码中解析出的PWM触发脉冲信号经触发电路完成对 IGBT的触发；所述IGBT工作时段信息用于IGBT驱动单元开启与工作时段相应的故障检测电路，对IGBT工作状态实时监控，并将检测结果转换成状态回报编码通过保护状态回报模块反馈给阀基电子设备VBE ；所述对IGBT工作状态实时监控由状态检测模块来实现；E、所述状态回报编码以脉冲形式表示故障检测结果，所述阀基电子设备VBE接收状态回报编码，即阀基电子设备VBE根据是否接收到脉冲和脉冲出现的时段解码出IGBT的工作状态。本发明提供的一种优选的技术方案是所述触发脉冲信号和IGBT工作时段信息的编码方式包括阀基电子设备VBE和IGBT驱动单元计数延时的方式。与现有技术相比，本发明达到的有益效果是1、本发明提供的监控系统及其通信方法中，IGBT串联阀触发信号同步，避免器件由于不同步触发而过压损坏。2、本发明提供的监控系统及其通信方法中，IGBT串联阀工作状态实时回报，避免器件由于故障损坏。3、本发明提供的监控系统及其通信方法利用光纤作为阀基电子设备与IGBT驱动单元间触发信号和状态回报信号的传输介质，保证了通信的可靠性和快速性，并实现高低压设备间的电气隔离。4、本发明提供的监控系统及其通信方法在触发分配单元与IGBT驱动单元之间只使用两根光纤，节省了光纤数和接口电路规模，降低了设备成本和复杂性。
图1是IGBT串联阀触发监控系统的总体硬件构成示意图；图2是IGBT串联阀触发信号和IGBT工作时段信息编解码示意图；图3是IGBT串联阀状态回报信号编码示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
做进一步的详细说明。本发明涉及的IGBT串联阀触发监控系统的总体硬件构成示意图如图1所示。在图1中，监控系统包括阀基电子设备和IGBT驱动单元；阀基电子设备与IGBT驱动单元之间的信息通道以两根光纤为传输载体，阀基电子设备和IGBT驱动单元中均设有光线连接即光发射器和光接收器。光纤连接一方面实现了两个设备间的电气隔离，另一方面，由于光纤上传输的信号传输损失小，抗干扰向强，且传输延时小，保证了信息传输和IGBT触发的可靠性。阀基电子设备包括编码模块、解码模块、光发射器和光接收器，光发射器和光接收器通过光纤分别与IGBT驱动单元光接收器和光发射器连接；编码模块和解码模块可以通过FPGA控制电路实现其功能，也可通过其他控制电路实现其功能。IGBT驱动单元包括光接收器、光发射器、解码模块、触发电路、保护状态回报模块和状态检测模块；光发射器和光接收器通过光纤分别与阀基电子设备光接收器和光发射器连接；解码模块、保护状态回报模块和状态检测模块可以通过FPGA控制电路实现其功能， 也可以通过其他控制电路实现其功能；触发电路是具有一些稳态或非稳态的电路，其中至少有一个是稳态的，并设计成在施加一适当脉冲时能即能启动所需的转变。FPGA控制电路主要由FPGA芯片实现。具体工作原理阀基电子设备VBE接收上级阀控制器产生的PWM触发脉冲。编码模块将PWM触发脉冲信号和IGBT工作时段信息按照约定的编码方式转换成IGBT驱动单元可以识别的脉冲编码，可以识别的脉冲编码通过光纤通道传输给IGBT驱动单元，IGBT驱动单元中的解码模块将接收到的脉冲编码进行解码，使其还原为编码前的形式，编码前的形式为PWM触发脉冲信号和IGBT工作时段信息。IGBT驱动单元从编码中解析出的PWM触发脉冲经触发电路完成对IGBT的触发；IGBT工作时段信息用于IGBT驱动单元开启与工作时段相应的故障检测电路，对IGBT工作状态实时监控，并将检测结果转换状态回报编码反馈给阀基电子设备，阀基电子设备VBE通过光纤接收状态回报编码，并通过解码模块得出串联阀中各IGBT状态信息。IGBT串联阀触发信号和IGBT工作时段信息编解码示意图如图2所示。阀基电子
5设备通过延时计数等方式将开关周期划分为若干工作时段，将工作时段信息和PWM脉冲信号合成为触发编码发送给IGBT驱动单元；IGBT驱动单元接收到编码后通过解码模块分解出PWM波形和时段信息。IGBT串联阀状态回报信号编码示意图如图3所示。状态回报编码以脉冲形式表示故障检测结果，阀基电子设备的解码模块根据是否接收到脉冲和脉冲出现的时段解码出IGBT的工作状态；其中，故障检测电路是对IGBT工作过程中可能出现的过压、过dv/dt、欠压和短路故障进行检测的电路，可以用软硬件来实现。触发脉冲和工作时段编码方式可以有多种，可以采用阀基电子设备和IGBT驱动单元分别计数延时的方式。本发明提供了一种阀基电子设备与IGBT驱动单元之间的触发及状态回报信号通信方法，该通信方法以光纤作为通信介质，保证了通信的可靠性，并通过一定的编码方式使触发信号和状态回报信号只需要两根光纤就可以完成传输，从而提高了通信效率，降低了通信损耗，并保证了设备之间最小的线路连接数，降低了光纤成本。最后应当说明的是以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式
进行种种变更、修改或者等同替换，这些变更、修改或者等同替换，其均在其申请待批的权利要求范围之内。
权利要求
1.一种IGBT串联阀触发监控系统，其特征在于，所述监控系统包括阀基电子设备VBE、 IGBT驱动单元；所述阀基电子设备和IGBT驱动单元通过光纤连接；所述IGBT驱动单元与绝缘双极型功率管IGBT电气连接。
2.如权利要求1所述的监控系统，其特征在于，所述阀基电子设备VBE包括编码模块、 解码模块、光发射器和光接收器；所述编码模块和解码模块通过FPGA控制电路实现。
3.如权利要求1所述的监控系统，其特征在于，所述IGBT驱动单元包括光接收器、光发射器、解码模块、触发电路、状态检测模块和保护状态回报模块；所述光发射器和光接收器通过光纤分别与阀基电子设备的光接收器和光发射器连接；所述解码模块、状态检测模块和保护状态回报模块通过FPGA控制电路实现。
4.一种如权利要求1所述的IGBT串联阀监控系统的通信方法，其特征在于，所述方法根据故障出现的时间将每个IGBT开关周期划分为至少一个工作时段；所述方法包括下述步骤A、所述阀基电子设备VBE接收上级阀控制器中产生的PWM触发脉冲信号；B、所述编码模块将所述PWM触发脉冲信号和IGBT工作时段信息按照编码方式转换成IGBT驱动单元可识别的脉冲信号；所述可识别的脉冲信号通过光纤传输给IGBT驱动单元；C、所述IGBT驱动单元中的解码模块将接收到的可识别的脉冲信号进行解码，使所述脉冲信号还原为编码前的形式，所述编码前的形式即PWM触发脉冲信号和IGBT工作时段信息；D、所述IGBT驱动单元从编码中解析出的PWM触发脉冲信号经触发电路完成对IGBT的触发；所述IGBT工作时段信息用于IGBT驱动单元开启与工作时段相应的故障检测电路，对 IGBT工作状态实时监控，并将检测结果转换成状态回报编码通过保护状态回报模块反馈给阀基电子设备VBE ；所述对IGBT工作状态实时监控由状态检测模块来实现；E、所述状态回报编码以脉冲形式表示故障检测结果，所述阀基电子设备VBE接收状态回报编码，即阀基电子设备VBE根据是否接收到脉冲和脉冲出现的时段解码出IGBT的工作状态。
5.如权利要求4所述的通信方法，其特征在于，所述触发脉冲信号和IGBT工作时段信息的编码方式包括阀基电子设备VBE和IGBT驱动单元计数延时的方式。
全文摘要
本发明属于电力电子及电力系统领域，具体涉及一种IGBT串联阀触发监控系统及其通信方法。该监控系统包括阀基电子设备、IGBT驱动单元；所述阀基电子设备和IGBT驱动单元通过光纤连接；所述IGBT驱动单元与绝缘双极型功率管IGBT电气连接。对该监控系统的阀基电子设备VBE与IGBT驱动单元之间提供了一种触发及状态回报信号通信方法，该方法以光纤作为通信介质，保证了通信的可靠性，并通过一定的编码方式使触发信号和状态回报信号只需要两根光纤就可以完成传输，从而提高了通信效率，降低了通信损耗，并保证了设备之间最小的线路连接数，降低了光纤成本。
文档编号H03K17/567GK102427353SQ201110425019
公开日2012年4月25日 申请日期2011年12月16日 优先权日2011年12月16日
发明者吴锐, 温家良, 王志霞, 王成昊, 蔚泉清, 贾娜, 陈中圆, 韩健, 高学敏 申请人:中国电力科学研究院