一種基于igbt的雙向固態(tài)開關(guān)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種基于IGBT的雙向固態(tài)開關(guān)，所述雙向固態(tài)開關(guān)包括依次連接的IGBT模塊關(guān)斷吸收回路、IGBT模塊主回路、IGBT驅(qū)動模塊及配套的控制系統(tǒng)，所述的IGBT模塊主回路包括至少一對反向串聯(lián)的IGBT模塊，形成雙向通流回路，回路的兩端即為雙向固態(tài)開關(guān)的兩接線端。本實(shí)用新型的基于IGBT的雙向固態(tài)開關(guān)具有雙向通流能力的固態(tài)直流開關(guān)設(shè)備，并且具有良好的散熱功能、驅(qū)動功能及完善的保護(hù)功能。
【專利說明】
一種基于IGBT的雙向固態(tài)開關(guān)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ] 本實(shí)用新型屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)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(tài)開關(guān)技術(shù)的拓?fù)洹?br>【背景技術(shù)】
[0002]隨著多端直流輸配電技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代電力系統(tǒng)容量的不斷增加，電力系統(tǒng)一旦發(fā)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(tǒng)較大程度的損壞。直流斷路器作為承載直流運(yùn)行支路正常電流以及各種故障電流的開關(guān)設(shè)備，可提高直流配電系統(tǒng)的可靠性，也是直流輸、配電網(wǎng)運(yùn)行、控制和保護(hù)的基礎(chǔ)，已成為系統(tǒng)安全運(yùn)行和保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，對防止故障范圍擴(kuò)大有著重大意義。直流電流因沒有過零點(diǎn)帶來的滅弧問題、關(guān)斷過程產(chǎn)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(wǎng)研究與應(yīng)用的技術(shù)瓶頸之一，一直是直流電力系統(tǒng)中的難點(diǎn)和關(guān)注的焦點(diǎn)。
[0003]常用的機(jī)械斷路器受其自身物理機(jī)構(gòu)的限制，當(dāng)其動、靜觸頭分開時會產(chǎn)生電弧，延長了故障電流的切除時間，往往需要數(shù)十乃至上百毫秒的時間才能分?jǐn)嚯娐?。由于直流系統(tǒng)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(dǎo)致斷路器無法分?jǐn)?，給整個系統(tǒng)帶來破壞性的危害。
[0004]與傳統(tǒng)的機(jī)械斷路器相比，基于功率半導(dǎo)體器件的固態(tài)斷路器具有無電弧、快速、精確和可靠的分?jǐn)嘈阅?，?yīng)用前景非常廣闊。
[0005]目前研究較多的直流固態(tài)斷路器分別有“限流型”和“直接分?jǐn)嘈汀眱煞N基本類型，參見圖1和圖2。限流型固態(tài)斷路器通過LC強(qiáng)迫換流電路對主晶閘管進(jìn)行關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)短路故障電流的分?jǐn)?。由于LC電路的參數(shù)設(shè)計(jì)與主晶閘管的關(guān)斷電流值緊密相關(guān)，導(dǎo)致能夠正常分?jǐn)喽搪饭收想娏鞯腖C電路參數(shù)無法快速完成系統(tǒng)小電流的分?jǐn)?。另外LC電路的參數(shù)決定了主晶閘管電流為零后的反向電壓持續(xù)時間，為了提供足夠的反壓持續(xù)時間實(shí)現(xiàn)主晶閘管的可靠關(guān)斷，需要減小關(guān)斷電流，或是增加電容的初始儲能量，這會導(dǎo)致斷路器分?jǐn)嗄芰档?，或是使其體積變大。而直接分?jǐn)嘈凸虘B(tài)斷路器利用可關(guān)斷半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)短路電流的快速分?jǐn)?，在器件串并?lián)應(yīng)用時，難以可靠完成故障大電流的分?jǐn)?，阻礙斷路器向高壓大電流方向的進(jìn)一步發(fā)展。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0006]本實(shí)用新型的目的在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)直流母線的開通關(guān)斷，具有雙向通流能力的固態(tài)直流開關(guān)設(shè)備。
[0007]為此，本實(shí)用新型提出的一種基于IGBT的雙向固態(tài)開關(guān)，其特征在于包括依次連接的IGBT模塊關(guān)斷吸收回路、IGBT模塊主回路、IGBT驅(qū)動模塊及配套的控制系統(tǒng)，所述的IGBT模塊主回路包括至少一對反向串聯(lián)的IGBT模塊，形成雙向通流回路，回路的兩端即為雙向固態(tài)開關(guān)的兩接線端。
[0008]優(yōu)選地，本實(shí)用新型還可包括如下特征:
[0009]所述的配套的控制系統(tǒng)包括了輔助電源、實(shí)現(xiàn)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(guān)電源給控制系統(tǒng)和每相IGBT的驅(qū)動模塊供電；光纖分配板通過IGBT驅(qū)動模塊(3)連接到反向串聯(lián)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(jìn)行轉(zhuǎn)接和分配。
[0011]GBT驅(qū)動模塊(3)集成于所述的光纖分配板的底座，形成集成驅(qū)動底座。
[0012]對于光纖輸入的觸發(fā)信號，經(jīng)兩個驅(qū)動器轉(zhuǎn)接成兩路輸出驅(qū)動信號，再通過驅(qū)動器連接到反向串聯(lián)的2個IGBT模塊;對于輸出狀態(tài)信號，兩路由驅(qū)動模塊返回的狀態(tài)信號經(jīng)光纖分配板上的主控制器FPGA編碼匯總為一路信號，再經(jīng)過轉(zhuǎn)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(shè)置功能、人工按鈕功能模塊;并且由FPGA控制開斷信號，經(jīng)光耦繼電器輸出控制散熱風(fēng)機(jī)的啟停。
[0014]所述人工按鈕包括復(fù)位按鈕、檢修按鈕及手動控制按鈕;保護(hù)系統(tǒng)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(fā)送復(fù)位命令，才能使斷路器可以接受開通命令，同時固態(tài)開關(guān)上有的手動按鈕可進(jìn)行手動復(fù)位控制；“檢修按鈕”，即檢修狀態(tài)下斷路器不接受任何遠(yuǎn)程控制，只能手動控制;在檢修狀態(tài)下，如果需要控制固態(tài)開關(guān)的通斷，則利用手動按鈕即可控制。
[0015]所述的IGBT模塊關(guān)斷吸收回路(I)包括RC關(guān)斷吸收回路以及尖峰浪涌吸收電路(MOV);所述RC關(guān)斷吸收回路選用無感電容和無感電阻串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。
[0016]所述的IGBT驅(qū)動模塊(3)采用具有有源嵌位功能的驅(qū)動器，并將驅(qū)動底座板與光纖分配板設(shè)計(jì)為一體。
[0017]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:反向串聯(lián)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(guān)來控制兩個流向的通/斷。
[0018]在本實(shí)用新型的一些優(yōu)選方案中，還具有如下優(yōu)點(diǎn):具有良好的散熱功能、驅(qū)動功能及完善的保護(hù)功能。
【附圖說明】
[0019]圖1是現(xiàn)在技術(shù)中“限流型”直流固態(tài)斷路器示意圖。
[0020]圖2是現(xiàn)有技術(shù)中“直接分?jǐn)嘈汀敝绷鞴虘B(tài)斷路器示意圖。
[0021 ]圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0022]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例光纖分配板控制框圖。
[0023]圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例軟件流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]本實(shí)用新型實(shí)施例的基于IGBT的雙向固態(tài)開關(guān)，主要由固態(tài)開關(guān)模組及其配套的控制系統(tǒng)兩部分組成。如圖3所示。
[0025]所述的固態(tài)開關(guān)模組的構(gòu)成包括了IGBT模塊關(guān)斷吸收回路1、IGBT模塊主回路2和IGBT驅(qū)動模塊3;
[0026]所述的配套的控制系統(tǒng)4包括了輔助電源(即圖中“開關(guān)電源”)、實(shí)現(xiàn)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(guān)斷吸收回路I，每個模組均設(shè)計(jì)有RC關(guān)斷吸收回路以及尖峰浪涌吸收電路(MOV)，由于MOV存在響應(yīng)延時，在關(guān)斷瞬間MOV不能馬上完全擊穿形成保護(hù)，因此需要RC回路進(jìn)行迅速吸收，對于RC回路，選用無感電容和無感電阻串聯(lián)實(shí)現(xiàn)；
[0028]所述的IGBT模塊主回路2包括了一對反向串聯(lián)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?fù)浞庋b有兩個IGBT管。實(shí)際應(yīng)用中使用兩個此型號IGBT模塊，當(dāng)其中反向串聯(lián)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(lián)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(qū)動模塊3采用具有有源嵌位功能的青銅劍科技2QD0108T17-C驅(qū)動器，將驅(qū)動底座板與光纖分配板設(shè)計(jì)為一體，驅(qū)動器可直接插在驅(qū)動底座上使用；
[0030]所述的配套的控制系統(tǒng)4的輔助電源采用開關(guān)電源給控制系統(tǒng)和每相IGBT的驅(qū)動模塊供電。選用電源為220VAC/24VDC開關(guān)電源，輸入輸出耐壓3kV，結(jié)合驅(qū)動器功率及風(fēng)機(jī)功率，開關(guān)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(jìn)行轉(zhuǎn)接和分配，并集成驅(qū)動底座功能，其中:
[0032]I)對于光纖輸入的觸發(fā)信號，經(jīng)兩個驅(qū)動器轉(zhuǎn)接成兩路輸出驅(qū)動信號，再通過驅(qū)動器連接到反向串聯(lián)的2個IGBT模塊。
[0033]2)對于輸出狀態(tài)信號，兩路由驅(qū)動模塊返回的狀態(tài)信號經(jīng)光纖分配板上的主控制器FPGA編碼匯總為一路信號，再經(jīng)過轉(zhuǎn)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(jìn)2出四路光纖，同時，由FPGA控制開斷信號，經(jīng)光耦繼電器輸出控制散熱風(fēng)機(jī)的啟停。此外，光纖分配板還集成了通信地址設(shè)置功能、人工按鈕(復(fù)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(shè)置功能，通過撥碼開關(guān)可設(shè)定每個固態(tài)開關(guān)模組的通信地址。一共10位撥碼開關(guān)可以組成10位二進(jìn)制編碼，最大可以設(shè)定1024個通信地址。
[0037]所述的人工按鈕功能，分別為復(fù)位按鈕、檢修按鈕及手動控制按鈕。它們的控制邏輯關(guān)系描述如下:
[0038]保護(hù)系統(tǒng)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(fā)送復(fù)位命令，才能使斷路器可以接受開通命令。同時固態(tài)開關(guān)上有一個手動按鈕，可進(jìn)行手動復(fù)位控制；固態(tài)開關(guān)上有“檢修按鈕”，即檢修狀態(tài)下斷路器不接受任何遠(yuǎn)程控制，只能手動控制;在檢修狀態(tài)下，如果需要控制固態(tài)開關(guān)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(shí)用新型上述實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是:
[0041]1、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單新穎:本實(shí)用新型拓?fù)鋵儆谥苯臃謹(jǐn)嘈偷囊环N，可雙向通流；
[0042]2、能夠快速無弧切斷直流故障大電流:本實(shí)用新型所使用的IGBT的開通時間和關(guān)斷時間都不到一百納秒，相比于機(jī)械式斷路器上百毫秒的關(guān)斷時間來說是相當(dāng)快速的；IGBT的開關(guān)沒有動靜觸頭的閉合分離，故而不會產(chǎn)生電弧;本實(shí)用新型所使用的IGBT的額定通態(tài)電流為200A，故而可有效關(guān)斷200A以下的電流。
[0043]3、具有雙向通流能力:反向串聯(lián)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(guān)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(jìn)行遠(yuǎn)程控制也可通過人工按鈕進(jìn)行手動控制。
[0045]5、集成度高:光纖分配板集成了控制系統(tǒng)、驅(qū)動底座功能、通信地址設(shè)置功能、人工按鈕功能等。
[0046]6、IGBT關(guān)斷過電壓可靠嵌位:本實(shí)用新型所使用的IGBT驅(qū)動器配合集成于光纖分配板上的驅(qū)動底座，具有完善的IGBT過壓保護(hù)功能，包括了有源箝位功能和短路保護(hù)功能。
[0047]7、關(guān)斷能量吸收迅速:在IGBT模塊關(guān)斷吸收回路中，由于在IGBT關(guān)斷瞬間MOV存在響應(yīng)延時，故而需要能夠迅速吸收能量的RC回路進(jìn)行緩沖，直至MOV被擊穿形成保護(hù)。
[0048]以上所述僅為本實(shí)用新型的實(shí)施例，并非因此限制本實(shí)用新型的專利范圍，凡是利用本實(shí)用新型說明書及附圖內(nèi)容所作的等效裝置或等效方法變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本實(shí)用新型的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于IGBT的雙向固態(tài)開關(guān)，其特征在于包括依次連接的IGBT模塊關(guān)斷吸收回路(1)、IGBT模塊主回路(2)、IGBT驅(qū)動模塊(3)及配套的控制系統(tǒng)(4)，所述的IGBT模塊主回路(2)包括至少一對反向串聯(lián)的IGBT模塊，形成雙向通流回路，回路的兩端即為雙向固態(tài)開關(guān)的兩接線端。2.如權(quán)利要求1所述的基于IGBT的雙向固態(tài)開關(guān)，其特征在于:所述的配套的控制系統(tǒng)(4)包括了輔助電源、實(shí)現(xiàn)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(guān)電源給控制系統(tǒng)和每相IGBT的驅(qū)動模塊供電；光纖分配板通過IGBT驅(qū)動模塊(3)連接到反向串聯(lián)的2個IGBT模塊。3.如權(quán)利要求2所述的基于IGBT的雙向固態(tài)開關(guān)，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(jìn)行轉(zhuǎn)接和分配。4.如權(quán)利要求3所述的基于IGBT的雙向固態(tài)開關(guān)，其特征在于:IGBT驅(qū)動模塊(3)集成于所述的光纖分配板的底座，形成集成驅(qū)動底座。5.如權(quán)利要求3所述的基于IGBT的雙向固態(tài)開關(guān)，其特征在于:對于光纖輸入的觸發(fā)信號，經(jīng)兩個驅(qū)動器轉(zhuǎn)接成兩路輸出驅(qū)動信號，再通過驅(qū)動器連接到反向串聯(lián)的2個IGBT模塊;對于輸出狀態(tài)信號，兩路由驅(qū)動模塊返回的狀態(tài)信號經(jīng)光纖分配板上的主控制器FPGA編碼匯總為一路信號，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換光纖輸出傳送給兩個外部主控制器。6.如權(quán)利要求3所述的基于IGBT的雙向固態(tài)開關(guān)，其特征是:所述光纖分配板還集成了通信地址設(shè)置功能、人工按鈕功能模塊;并且由FPGA控制開斷信號，經(jīng)光耦繼電器輸出控制散熱風(fēng)機(jī)的啟停。7.如權(quán)利要求6所述的基于IGBT的雙向固態(tài)開關(guān)，其特征是:所述人工按鈕包括復(fù)位按鈕、檢修按鈕及手動控制按鈕;保護(hù)系統(tǒng)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(fā)送復(fù)位命令，才能使斷路器可以接受開通命令，同時固態(tài)開關(guān)上有的手動按鈕可進(jìn)行手動復(fù)位控制；“檢修按鈕”，即檢修狀態(tài)下斷路器不接受任何遠(yuǎn)程控制，只能手動控制;在檢修狀態(tài)下，如果需要控制固態(tài)開關(guān)的通斷，則利用手動按鈕即可控制。8.如權(quán)利要求1所述的基于IGBT的雙向固態(tài)開關(guān)，其特征是:所述的IGBT模塊關(guān)斷吸收回路(I)包括RC關(guān)斷吸收回路以及尖峰浪涌吸收電路(MOV);所述RC關(guān)斷吸收回路選用無感電容和無感電阻串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。9.如權(quán)利要求2所述的基于IGBT的雙向固態(tài)開關(guān)，其特征是:所述的IGBT驅(qū)動模塊(3)采用具有有源嵌位功能的驅(qū)動器，并將驅(qū)動底座板與光纖分配板設(shè)計(jì)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(fā)明人】何強(qiáng), 蔣成明, 雷仕建, 于洋
【申請人】深圳青銅劍科技股份有限公司