一種基于igbt的雙向固態開關的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于IGBT的雙向固態開關，所述雙向固態開關包括依次連接的IGBT模塊關斷吸收回路、IGBT模塊主回路、IGBT驅動模塊及配套的控制系統，所述的IGBT模塊主回路包括至少一對反向串聯的IGBT模塊，形成雙向通流回路，回路的兩端即為雙向固態開關的兩接線端。本實用新型的基于IGBT的雙向固態開關具有雙向通流能力的固態直流開關設備，并且具有良好的散熱功能、驅動功能及完善的保護功能。
【專利說明】
一種基于IGBT的雙向固態開關
技術領域
[0001 ] 本實用新型屬于電力電子技術領域，具體涉及一種基于IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管)的雙向固態開關技術的拓撲。
【背景技術】
[0002]隨著多端直流輸配電技術的發展和現代電力系統容量的不斷增加，電力系統一旦發生短路故障，短路電流將會迅速增大至電力電子器件所能承受的最大值以上，從而造成整個電力系統較大程度的損壞。直流斷路器作為承載直流運行支路正常電流以及各種故障電流的開關設備，可提高直流配電系統的可靠性，也是直流輸、配電網運行、控制和保護的基礎，已成為系統安全運行和保護的關鍵設備，對防止故障范圍擴大有著重大意義。直流電流因沒有過零點帶來的滅弧問題、關斷過程產生的過電壓問題和能量吸收問題給研制高壓大容量直流斷路器帶來巨大困難，直流斷路器成為制約直流電網研究與應用的技術瓶頸之一，一直是直流電力系統中的難點和關注的焦點。
[0003]常用的機械斷路器受其自身物理機構的限制，當其動、靜觸頭分開時會產生電弧，延長了故障電流的切除時間，往往需要數十乃至上百毫秒的時間才能分斷電路。由于直流系統短路電流上升速度很快，因而不僅不能對短路電流起到有效的抑制作用，而且短路電流峰值可能會超過斷路器的極限分段能力，導致斷路器無法分斷，給整個系統帶來破壞性的危害。
[0004]與傳統的機械斷路器相比，基于功率半導體器件的固態斷路器具有無電弧、快速、精確和可靠的分斷性能，應用前景非常廣闊。
[0005]目前研究較多的直流固態斷路器分別有“限流型”和“直接分斷型”兩種基本類型，參見圖1和圖2。限流型固態斷路器通過LC強迫換流電路對主晶閘管進行關斷，從而實現短路故障電流的分斷。由于LC電路的參數設計與主晶閘管的關斷電流值緊密相關，導致能夠正常分斷短路故障電流的LC電路參數無法快速完成系統小電流的分斷。另外LC電路的參數決定了主晶閘管電流為零后的反向電壓持續時間，為了提供足夠的反壓持續時間實現主晶閘管的可靠關斷，需要減小關斷電流，或是增加電容的初始儲能量，這會導致斷路器分斷能力降低，或是使其體積變大。而直接分斷型固態斷路器利用可關斷半導體器件實現短路電流的快速分斷，在器件串并聯應用時，難以可靠完成故障大電流的分斷，阻礙斷路器向高壓大電流方向的進一步發展。
【實用新型內容】
[0006]本實用新型的目的在于提供一種能夠實現直流母線的開通關斷，具有雙向通流能力的固態直流開關設備。
[0007]為此，本實用新型提出的一種基于IGBT的雙向固態開關，其特征在于包括依次連接的IGBT模塊關斷吸收回路、IGBT模塊主回路、IGBT驅動模塊及配套的控制系統，所述的IGBT模塊主回路包括至少一對反向串聯的IGBT模塊，形成雙向通流回路，回路的兩端即為雙向固態開關的兩接線端。
[0008]優選地，本實用新型還可包括如下特征:
[0009]所述的配套的控制系統包括了輔助電源、實現控制方式的光纖分配板及其軟件控制模塊，所述輔助電源采用開關電源給控制系統和每相IGBT的驅動模塊供電；光纖分配板通過IGBT驅動模塊(3)連接到反向串聯的2個IGBT模塊。
[0010]所述的光纖分配板，利用FPGA作為核心控制，對輸入輸出信號進行轉接和分配。
[0011]GBT驅動模塊(3)集成于所述的光纖分配板的底座，形成集成驅動底座。
[0012]對于光纖輸入的觸發信號，經兩個驅動器轉接成兩路輸出驅動信號，再通過驅動器連接到反向串聯的2個IGBT模塊;對于輸出狀態信號，兩路由驅動模塊返回的狀態信號經光纖分配板上的主控制器FPGA編碼匯總為一路信號，再經過轉換光纖輸出傳送給兩個外部主控制器。
[0013]所述光纖分配板還集成了通信地址設置功能、人工按鈕功能模塊;并且由FPGA控制開斷信號，經光耦繼電器輸出控制散熱風機的啟停。
[0014]所述人工按鈕包括復位按鈕、檢修按鈕及手動控制按鈕;保護系統命令斷路器跳閘后，斷路器不會再接受開通命令，這時需要中央控制器發送復位命令，才能使斷路器可以接受開通命令，同時固態開關上有的手動按鈕可進行手動復位控制；“檢修按鈕”，即檢修狀態下斷路器不接受任何遠程控制，只能手動控制;在檢修狀態下，如果需要控制固態開關的通斷，則利用手動按鈕即可控制。
[0015]所述的IGBT模塊關斷吸收回路(I)包括RC關斷吸收回路以及尖峰浪涌吸收電路(MOV);所述RC關斷吸收回路選用無感電容和無感電阻串聯實現。
[0016]所述的IGBT驅動模塊(3)采用具有有源嵌位功能的驅動器，并將驅動底座板與光纖分配板設計為一體。
[0017]本實用新型的優點在于:反向串聯的兩個IGBT管具有雙向通流能力，IGBT模塊主回路中，兩個IGBT通路方向相反，可通過兩個IGBT的開/關來控制兩個流向的通/斷。
[0018]在本實用新型的一些優選方案中，還具有如下優點:具有良好的散熱功能、驅動功能及完善的保護功能。
【附圖說明】
[0019]圖1是現在技術中“限流型”直流固態斷路器示意圖。
[0020]圖2是現有技術中“直接分斷型”直流固態斷路器示意圖。
[0021 ]圖3是本實用新型實施例系統結構原理示意圖。
[0022]圖4是本實用新型實施例光纖分配板控制框圖。
[0023]圖5是本實用新型實施例軟件流程圖。
【具體實施方式】
[0024]本實用新型實施例的基于IGBT的雙向固態開關，主要由固態開關模組及其配套的控制系統兩部分組成。如圖3所示。
[0025]所述的固態開關模組的構成包括了IGBT模塊關斷吸收回路1、IGBT模塊主回路2和IGBT驅動模塊3;
[0026]所述的配套的控制系統4包括了輔助電源(即圖中“開關電源”)、實現控制方式的光纖分配板及其軟件控制模塊；
[0027]所述的IGBT模塊關斷吸收回路I，每個模組均設計有RC關斷吸收回路以及尖峰浪涌吸收電路(MOV)，由于MOV存在響應延時，在關斷瞬間MOV不能馬上完全擊穿形成保護，因此需要RC回路進行迅速吸收，對于RC回路，選用無感電容和無感電阻串聯實現；
[0028]所述的IGBT模塊主回路2包括了一對反向串聯的IGBT模塊，形成雙向通流回路。IGBT模塊可選用富士 2MBI200VH-170-50，此模塊以半橋拓撲封裝有兩個IGBT管。實際應用中使用兩個此型號IGBT模塊，當其中反向串聯的一對IGBT管損壞時，另外兩只IGBT管可替換使用；(每個模塊封裝有兩個IGBT管，兩個IGBT模塊共組成兩對反向串聯的IGBT管，使用時只用其中一對，所以圖中只畫出一對)。
[0029]所述的IGBT驅動模塊3采用具有有源嵌位功能的青銅劍科技2QD0108T17-C驅動器，將驅動底座板與光纖分配板設計為一體，驅動器可直接插在驅動底座上使用；
[0030]所述的配套的控制系統4的輔助電源采用開關電源給控制系統和每相IGBT的驅動模塊供電。選用電源為220VAC/24VDC開關電源，輸入輸出耐壓3kV，結合驅動器功率及風機功率，開關電源功率不小于50W;
[0031 ] 所述的光纖分配板，利用FPGA(Spartan-6 XC6SLX9)作為核心控制，對輸入輸出信號進行轉接和分配，并集成驅動底座功能，其中:
[0032]I)對于光纖輸入的觸發信號，經兩個驅動器轉接成兩路輸出驅動信號，再通過驅動器連接到反向串聯的2個IGBT模塊。
[0033]2)對于輸出狀態信號，兩路由驅動模塊返回的狀態信號經光纖分配板上的主控制器FPGA編碼匯總為一路信號，再經過轉換光纖輸出傳送給兩個外部主控制器(是屬于外部的主控制器，圖中沒有畫出)。
[0034]這樣保證對外接口為2進2出四路光纖，同時，由FPGA控制開斷信號，經光耦繼電器輸出控制散熱風機的啟停。此外，光纖分配板還集成了通信地址設置功能、人工按鈕(復位按鈕、檢修按鈕及手動控制按鈕)功能。
[0035]光纖板的具體控制框圖如下圖4所示。
[0036]所述的通信地址設置功能，通過撥碼開關可設定每個固態開關模組的通信地址。一共10位撥碼開關可以組成10位二進制編碼，最大可以設定1024個通信地址。
[0037]所述的人工按鈕功能，分別為復位按鈕、檢修按鈕及手動控制按鈕。它們的控制邏輯關系描述如下:
[0038]保護系統命令斷路器跳閘后，斷路器不會再接受開通命令，這時需要中央控制器發送復位命令，才能使斷路器可以接受開通命令。同時固態開關上有一個手動按鈕，可進行手動復位控制；固態開關上有“檢修按鈕”，即檢修狀態下斷路器不接受任何遠程控制，只能手動控制;在檢修狀態下，如果需要控制固態開關的通斷，則利用手動按鈕即可控制。
[0039 ]所述的軟件控制方式，流程圖如圖5所示。
[0040]本實用新型上述實施例的優點是:
[0041]1、拓撲結構簡單新穎:本實用新型拓撲屬于直接分斷型的一種，可雙向通流；
[0042]2、能夠快速無弧切斷直流故障大電流:本實用新型所使用的IGBT的開通時間和關斷時間都不到一百納秒，相比于機械式斷路器上百毫秒的關斷時間來說是相當快速的；IGBT的開關沒有動靜觸頭的閉合分離，故而不會產生電弧;本實用新型所使用的IGBT的額定通態電流為200A，故而可有效關斷200A以下的電流。
[0043]3、具有雙向通流能力:反向串聯的兩個IGBT管具有雙向通流能力，在圖3的IGBT模塊主回路2中，Tl、D2通路和T2、D1通路方向相反，可通過Tl或T2的開/關來控制兩個流向的通/斷。
[0044]4、控制方式多樣化:既可通過光纖信號進行遠程控制也可通過人工按鈕進行手動控制。
[0045]5、集成度高:光纖分配板集成了控制系統、驅動底座功能、通信地址設置功能、人工按鈕功能等。
[0046]6、IGBT關斷過電壓可靠嵌位:本實用新型所使用的IGBT驅動器配合集成于光纖分配板上的驅動底座，具有完善的IGBT過壓保護功能，包括了有源箝位功能和短路保護功能。
[0047]7、關斷能量吸收迅速:在IGBT模塊關斷吸收回路中，由于在IGBT關斷瞬間MOV存在響應延時，故而需要能夠迅速吸收能量的RC回路進行緩沖，直至MOV被擊穿形成保護。
[0048]以上所述僅為本實用新型的實施例，并非因此限制本實用新型的專利范圍，凡是利用本實用新型說明書及附圖內容所作的等效裝置或等效方法變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本實用新型的專利保護范圍內。
【主權項】
1.一種基于IGBT的雙向固態開關，其特征在于包括依次連接的IGBT模塊關斷吸收回路(1)、IGBT模塊主回路(2)、IGBT驅動模塊(3)及配套的控制系統(4)，所述的IGBT模塊主回路(2)包括至少一對反向串聯的IGBT模塊，形成雙向通流回路，回路的兩端即為雙向固態開關的兩接線端。2.如權利要求1所述的基于IGBT的雙向固態開關，其特征在于:所述的配套的控制系統(4)包括了輔助電源、實現控制方式的光纖分配板及其軟件控制模塊，所述輔助電源采用開關電源給控制系統和每相IGBT的驅動模塊供電；光纖分配板通過IGBT驅動模塊(3)連接到反向串聯的2個IGBT模塊。3.如權利要求2所述的基于IGBT的雙向固態開關，其特征在于:所述的光纖分配板，利用FPGA作為核心控制，對輸入輸出信號進行轉接和分配。4.如權利要求3所述的基于IGBT的雙向固態開關，其特征在于:IGBT驅動模塊(3)集成于所述的光纖分配板的底座，形成集成驅動底座。5.如權利要求3所述的基于IGBT的雙向固態開關，其特征在于:對于光纖輸入的觸發信號，經兩個驅動器轉接成兩路輸出驅動信號，再通過驅動器連接到反向串聯的2個IGBT模塊;對于輸出狀態信號，兩路由驅動模塊返回的狀態信號經光纖分配板上的主控制器FPGA編碼匯總為一路信號，再經過轉換光纖輸出傳送給兩個外部主控制器。6.如權利要求3所述的基于IGBT的雙向固態開關，其特征是:所述光纖分配板還集成了通信地址設置功能、人工按鈕功能模塊;并且由FPGA控制開斷信號，經光耦繼電器輸出控制散熱風機的啟停。7.如權利要求6所述的基于IGBT的雙向固態開關，其特征是:所述人工按鈕包括復位按鈕、檢修按鈕及手動控制按鈕;保護系統命令斷路器跳閘后，斷路器不會再接受開通命令，這時需要中央控制器發送復位命令，才能使斷路器可以接受開通命令，同時固態開關上有的手動按鈕可進行手動復位控制；“檢修按鈕”，即檢修狀態下斷路器不接受任何遠程控制，只能手動控制;在檢修狀態下，如果需要控制固態開關的通斷，則利用手動按鈕即可控制。8.如權利要求1所述的基于IGBT的雙向固態開關，其特征是:所述的IGBT模塊關斷吸收回路(I)包括RC關斷吸收回路以及尖峰浪涌吸收電路(MOV);所述RC關斷吸收回路選用無感電容和無感電阻串聯實現。9.如權利要求2所述的基于IGBT的雙向固態開關，其特征是:所述的IGBT驅動模塊(3)采用具有有源嵌位功能的驅動器，并將驅動底座板與光纖分配板設計為一體。
【文檔編號】H03K17/567GK205544196SQ201521140966
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2015年12月31日
【發明人】何強, 蔣成明, 雷仕建, 于洋
【申請人】深圳青銅劍科技股份有限公司