[发明专利]一种新型IGBT高压串联阀控制与监测系统

说明书

技术领域

本发明属于电力系统领域，具体涉及一种新型的IGBT高压串联阀控制监测系统。

背景技术

20世纪80年代中期出现的半导体电力开关器件——绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Biploar Transistor)是一种复合器件，它的输入控制部分为MOSFET，输出级为双极结型晶体管，兼有MOSFET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IGBT的缺点在于单个IGBT的电压、电流允许值很难再提高，为了应用于高电压、大功率的领域，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VSC-HVDC、STATCOM、UPFC等。在这些场合中，由于串联的IGBT器件运行的频率较高，开关速度较快，很容易在串联的IGBT器件中产生电压不平衡的情况，而高电压、大功率的应用领域决定了一旦出现严重的电压不平衡，串联的IGBT将不可避免的出现失效甚至损坏。而串联的IGBT出现断路失效后，反过来又会损坏这些大功率电力电子装置，造成严重的经济损失。

IGBT属于门级电压全控型器件，而传统的晶闸管属于门极电流半控型器件，同时IGBT高压串联阀的工作频率高达上千赫兹，而晶闸管高压串联阀工作频率一般为50赫兹，因此IGBT高压串联阀在实现电压和其它参数的平衡化方面存在较大的技术差异，电压平衡化不能仅仅采用阻尼强迫均压，其电压平衡化需要采用主动调整技术，即调整门极输入电压，实现电压的平衡化。

正是由于以上原因，传统的晶闸管高压串联阀的触发监测系统主要完成晶闸管触发和状态监测，而没有实现晶闸管均压的功能；而IGBT高压串联阀控制监测系统不仅要完成IGBT的开通、关断及状态监测功能，还需要完成IGBT级电压平衡化调节，因此，传统的晶闸管高压串联阀触发监测系统已不能满足IGBT高压串联阀的需要，必须IGBT高压串联阀的控制监测系统进行重新设计。

在通常的测量与控制系统中，控制信号和数据信号一般使用电缆线传输。在强电磁场环境中，例如高压、大功率的IGBT串联阀中，控制信号和数据很容易受到干扰，严重影响系统性能。在高共模电压和与强电相关的测量与控制系统中，传统的隔离方法隔离度不高，强电部分很容易对弱电部分产生干扰，甚至对弱电部分的电路造成损坏，导致系统性能不稳定。电缆线的传输损耗大，导致传输距离不远，质量大，影响系统机动性等。采用高速光纤信号传输技术可以很好的解决这些问题。

发明内容

本发明提供了一种新型的IGBT高压串联阀控制监测系统方案，满足了IGBT开通、关断、电压平衡化控制、阀状态监测等各项功能的需要，采用双通道光纤传输系统，为IGBT串联应用的实用化指出了一条崭新的技术路径。

IGBT高压串联阀控制监测系统框图如图1所示，它包括IGBT门极电路，阀控制监测单元及光纤传输系统三部分组成。

本发明的一种绝缘栅双极型晶体管IGBT高压串联阀控制监测系统，包括IGBT门极电路、阀控制监测单元及光纤传输系统，IGBT高压串联阀中的每一个绝缘栅双极型晶体管IGBT都有一个独立的IGBT门极电路，每一个IGBT门极电路都通过光纤传输系统中的两条光纤和IGBT阀控制监测单元相连接，上述所有光纤组成光纤传输系统，阀控制监测单元通过光纤传输系统和IGBT门极电路互相发送、接收信号；

所述每个IGBT的门极电路与控制监测单元之间用两条光纤通道实现信息交互，这两条光纤通道为高速数字信号传输通道，一条高速数字信号光纤通道用于门极电路工作状态实时监测，另一条高速数字信号光纤通道用于向门极电路发送开通和关断命令；

IGBT门极控制电路及其外围电路包括：外围电路和门极电路；

所述外围电路包括电容、电阻和集电极电压嵌位电路；分别用于实现动态、静态均压和集电极过电压保护，同时还和门极电路配合实现取能和动态电压测量的功能；