CN109274256B - 一种基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路及控制方法。功率模块包括至少一个功率半导体单元、子模块电容C_M、旁路开关K_B、电源板卡以及控制板卡。所述冗余供能电路，由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一稳压管VD1、第一击穿二极管D_BO以及连接模块构成。本发明方案在电源板卡故障后，利用均压电阻分压给旁路开关储能电容充电，并利用击穿二极管击穿后给控制板卡供电，保证在电源板卡故障后，旁路开关的可靠合闸和子模块状态上送，避免系统停运和旁路开关状态未知下的带故障运行，提高了系统的安全性和可靠性。本发明方案利用均压电阻回路能量，提高系统运行经济性，采用全无源的结构，简单可靠，具备可实施性，成本低廉。

Description

一种基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路及控制方法

技术领域

本发明公布了一种基于击穿二极管(Break over Diode，BOD)的功率模块冗余供能电路及控制方法，涉及柔性交直流输电领域，尤其涉及功率单元模块的取能技术。

背景技术

级联多电平换流器在特高压交直流输电、无功补偿、直流配电网等电力、轨道交通以及新能源场合广泛应用。为了保证级联多电平换流器的安全稳定运行，功率模块均要求设计故障旁路功能，当子模块内部出现故障后，旁路功能会将故障模块旁路，避免故障扩大，维持系统继续运行，避免造成经济损失。

但是，电源板卡作为功率模块内部所有控制保护功能实现的能量来源，由于器件的寿命限制、老化、失效以及其他外部原因，存在一定的故障概率。特别是在系统启动前，电源板卡已经发生故障的工况，旁路开关不具备合闸所需的能量，子模块控制板也无法正常发出指令，那么旁路功能就无法实现，因此会导致整个系统的停运。发明专利CN201710228027.X提出了一种多电平换流器子模块旁路开关自触发电路，利用功率模块单元交流侧能量给旁路开关储能电容充电，但是如果在系统启动前，电源板已经故障，由于旁路开关合闸线圈电阻比较小，旁路开关储能电容被短路，无法完成充电，因此旁路开关无法完成合闸动作。发明专利CN108111007A公开了一种功率模块冗余供能电路及控制方法，在电源板卡故障后，第一电容电压超过某一门槛后击穿第一稳压管给旁路开关储能电容充电，并在第一电容电压超过另一门槛后击穿第二稳压管触发第二开关合闸，然后触发旁路开关合闸。但是，该发明引入了多个高压稳压管，会造成发热严重，可靠性差；旁路开关储能电容的容量都在几百微法数量级以上，只有当第一电容电压击穿第一稳压管后，才能给旁路开关储能电容充电，浪费了击穿前的充电时间；并且稳压管的引入限制了充电回路的电流，影响充电速度；而且稳压管稳压离散性大、温漂大，对保护精度会造成较大影响；此外，该发明还引入了多个高压开关，需要隔离控制，控制复杂，工程可实施性差；更重要的是，该发明仅为实现旁路开关的可靠旁路做了努力，但是如果出现旁路开关本体拒动或更恶劣的情况，上级控制系统无法获知故障模块的状态，如果在旁路失败情况下继续运行，会导致故障进一步扩大，造成更严重的损失。

基于以上分析，本申请提出了一种基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路及控制方法，实现旁路开关和功率模块控制板的冗余供能，本案由此产生。

发明内容

发明目的

本发明所要解决的技术问题是：功率模块在电源板卡故障后无法执行旁路而导致系统停运，以及旁路状态未知下的可能带故障运行，提出了一种基于击穿二极管的功率模组冗余供能电路及控制方法。当功率模块电源板卡出现故障时，本发明通过冗余供能电路，给旁路开关提供合闸所需能量，给功率模块控制板卡供电，保证旁路开关可靠合闸，避免系统停运，并上送故障模块的状态，避免系统带故障运行，提高了系统运行的安全性和可靠性。

技术方案

一种基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路，所述功率模块至少包括功率半导体单元、功率模块电容C_M、旁路开关K_B、电源板卡以及控制板卡；所述旁路开关K_B包括控制线圈、旁路开关储能电容C_B，所述电源板卡给控制板卡和旁路开关储能电容C_B供电，所述电源板卡的输出正端连接旁路开关储能电容C_B的正极、输出负端连接旁路开关储能电容C_B负极；所述基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一稳压管VD1、第一击穿二极管D_BO以及连接模块构成；所述连接模块是二极管、导线、机械开关、继电器、电子开关或半导体可控器件；所述第一电阻R1一端与功率模块电容C_M正极相连，第一电阻R1另一端与第二电阻R2一端相连，第二电阻R2另一端与功率模块电容C_M负极相连；所述连接模块一端连接至第一电阻R1与第二电阻R2的连接点，连接模块另一端连接至旁路开关储能电容C_B正极，旁路开关储能电容C_B负极连接至功率模块电容C_M负极；所述第三电阻R3一端连接至功率模块电容C_M正极，第三电阻R3另一端连接至第一击穿二极管D_BO阳极，第一击穿二极管D_BO阴极连接至第一稳压管VD1阴极，第一稳压管VD1阳极连接至功率模块电容C_M负极；所述第一稳压管VD1阴极连接至控制板卡输入正端，第一稳压管VD1阳极连接至控制板卡输入负端。

进一步地，所述控制板卡包含通讯单元、旁路触发单元以及检测保护单元，

所述旁路开关K_B的控制线圈一端连接至旁路开关储能电容C_B正极，旁路开关K_B的控制线圈另一端连接至可控开关Q_B的正极，可控开关Q_B的负极连接至旁路开关储能电容C_B负极。通讯单元负责接收上级控制系统的指令、发送功率模块的状态信息；所述旁路触发单元负责执行旁路触发命令，控制可控开关Q_B的开通和关断；检测保护单元负责检测功率模块的状态，监视点电压电流采样以及功率模块本体的主动保护功能。

进一步地，所述功率模块的功率模块电容C_M两端均会并联均压电阻，达到预充电过程中模块均压作用。因此，第一电阻R1、第二电阻R2在起分压供能的同时，也可以充当功率模块的均压电阻，没有额外增加系统的损耗。第一电阻R1、第二电阻R2既可以是单个电阻，也可以是电阻串、并联结构，提高回路的冗余度。

进一步地，所述功率半导体单元可以是至少包含两个功率半导体器件的半桥连接方式、至少包含四个功率半导体器件的全桥连接方式。

本发明还公开了一种基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路的控制方法，如下所示：

(1)当功率模块启动前，电源板卡已经故障，旁路功能实施的步骤如下：

步骤1：功率模块开始预充电，功率模块电容C_M电压开始上升，电源板卡故障未工作；冗余供能电路的第一电阻R1、第二电阻R2分压后通过连接模块自动投入，给旁路开关储能电容C_B充电；

步骤2：功率模块电容C_M电压上升到第一击穿二极管D_BO击穿电压，第一击穿二极管D_BO击穿动作，控制板卡带电工作；旁路开关储能电容C_B继续充电；

步骤3：控制板卡检测保护单元检测到功率模块存在故障，并向上级控制系统发送故障状态信息，上级控制系统接收到故障状态信息后下发旁路命令；

步骤4：控制板卡检测保护单元检测旁路开关储能电容C_B电压满足合闸条件后，旁路触发单元触发旁路开关K_B合闸，控制板卡通讯单元向上级控制系统发送旁路开关K_B位置信号；系统继续运行。

(2)当功率模块在运行过程中，发生故障，旁路功能实施的步骤如下：

步骤1：功率模块开始预充电，功率模块电容C_M电压开始上升，电源板卡输入欠压未启动；冗余供能电路的第一电阻R1、第二电阻R2分压后通过连接模块自动投入，给旁路开关储能电容C_B充电；

步骤2：功率模块电容C_M电压上升到电源板卡启动电压以上，电源板卡正常工作，给旁路开关储能电容C_B充电，给控制板卡供电；冗余供能电路从给旁路开关储能电容C_B充电状态自动退出；

步骤3：

情况①：控制板卡检测保护单元检测到功率模块发生故障、电源板卡正常；

情况②：电源板卡发生故障，控制板卡失电，功率模块电容C_M电压上升到第一击穿二极管D_BO击穿电压，第一击穿二极管D_BO击穿动作，控制板卡恢复工作；冗余供能电路的第一电阻R1、第二电阻R2分压后通过连接模块自动投入给旁路开关储能电容C_B继续充电；

步骤4：控制板卡向上级控制系统发送故障状态信息；上级控制系统接收到故障状态信息后下发旁路命令，控制板卡检测保护单元检测旁路开关储能电容C_B电压满足合闸条件，旁路触发单元触发旁路开关K_B合闸，控制板卡向上级控制系统发送旁路开关K_B位置信号；系统继续运行。

有益效果

采用本发明所述的基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路，解决了功率模块电源板卡故障后的旁路开关储能电容取能以及功率模块控制板卡的供电问题，与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)利用原有的均压电阻回路能量，实现了旁路开关储能电容的冗余供能；保证了旁路开关合闸动作的能量来源；

(2)利用击穿二极管，实现了功率模块控制板的供电；保障了保护触发功能和状态上送功能；

(3)利用控制板的数字采样以及高精度基准芯片，保护精度高；

(4)在正常运行中，击穿二极管不动作，只有在过压条件下，击穿二极管动作后给功率模块控制板供电，且能保持供电到功率模块电容电压降到较低幅值；不额外增加损耗，具有经济性；

(5)使用全无源器件，电路结构简单可靠，无需增加控制。

附图说明

图1为本发明基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路原理图。

图2为本发明基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路实施例原理图。

图3为本发明基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路的控制方法逻辑图。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

冗余取能实施例：

参考图1，本发明保护的基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路，所述的功率模块至少包括功率半导体单元、功率模块电容C_M、旁路开关K_B、电源板卡以及控制板卡；所述旁路开关K_B包括控制线圈、旁路开关储能电容C_B，所述电源板卡给控制板卡和旁路开关储能电容C_B供电，所述电源板卡的输出正端连接旁路开关储能电容C_B的正极、输出负端连接旁路开关储能电容C_B负极；所述基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一稳压管VD1、第一击穿二极管D_BO以及连接模块构成；所述连接模块是二极管、导线、机械开关、继电器、电子开关或半导体可控器件；所述第一电阻R1一端与功率模块电容C_M正极相连，第一电阻R1另一端与第二电阻R2一端相连，第二电阻R2另一端与功率模块电容C_M负极相连；所述连接模块一端连接至第一电阻R1与第二电阻R2的连接点，连接模块另一端连接至旁路开关储能电容C_B正极，旁路开关储能电容C_B负极连接至功率模块电容C_M负极；所述第三电阻R3一端连接至功率模块电容C_M正极，第三电阻R3另一端连接至第一击穿二极管D_BO阳极，第一击穿二极管D_BO阴极连接至第一稳压管VD1阴极，第一稳压管VD1阳极连接至功率模块电容C_M负极；所述第一稳压管VD1阴极连接至控制板卡输入正端，第一稳压管VD1阳极连接至控制板卡输入负端。

作为优选方案，如图2所示，所述功率模块冗余供能电路的连接模块应选用二极管或二极管串并联组合，二极管阳极连接至第一电阻R1与第二电阻R2的连接点，二极管阴极连接至旁路开关储能电容C_B正极。当电源板卡正常工作，且功率模块电容C_M电压未达到过压点时，旁路电源输出高于第一电阻R1、第二电阻R2的分压值，二极管D2处于反向阻断状态，可以避免冗余供能电路对电源板卡的影响；当功率模块电容C_M电压超过过压点，可能出现冗余供能电路供电，电源板卡内部的二极管可以阻断冗余供能电路对电源板卡的影响；当电源板卡故障时，电源板卡内部的二极管处于反向阻断状态，避免影响冗余供能电路。

控制方法实施例：

参考图3，本发明公布了一种基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路的控制方法，

(1)当功率模块启动前，电源板卡已经故障，旁路功能实施的步骤如下：

步骤1：功率模块开始预充电，功率模块电容C_M电压开始上升，电源板卡故障未工作；冗余供能电路的第一电阻R1、第二电阻R2分压后通过连接模块自动投入，给旁路开关储能电容C_B充电；

步骤2：功率模块电容C_M电压上升到第一击穿二极管D_BO击穿电压，第一击穿二极管D_BO击穿动作，控制板卡带电工作；旁路开关储能电容C_B继续充电；

步骤3：控制板卡检测保护单元检测到功率模块存在故障，并向上级控制系统发送故障状态信息，上级控制系统接收到故障状态信息后下发旁路命令；

步骤4：控制板卡检测保护单元检测旁路开关储能电容C_B电压满足合闸条件后，旁路触发单元触发旁路开关K_B合闸，控制板卡通讯单元向上级控制系统发送旁路开关K_B位置信号；系统继续运行。

(2)当功率模块在运行过程中，发生故障，旁路功能实施的步骤如下：

步骤1：功率模块开始预充电，功率模块电容C_M电压开始上升，电源板卡输入欠压未启动；冗余供能电路的第一电阻R1、第二电阻R2分压后通过连接模块自动投入，给旁路开关储能电容C_B充电；

步骤2：功率模块电容C_M电压上升到电源板卡启动电压以上，电源板卡正常工作，给旁路开关储能电容C_B充电，给控制板卡供电；冗余供能电路从给旁路开关储能电容C_B充电状态自动退出；

步骤3：

情况①：控制板卡检测保护单元检测到功率模块发生故障、电源板卡正常；

情况②：电源板卡发生故障，控制板卡失电，功率模块电容C_M电压上升到第一击穿二极管D_BO击穿电压，第一击穿二极管D_BO击穿动作，控制板卡恢复工作；冗余供能电路的第一电阻R1、第二电阻R2分压后通过连接模块自动投入给旁路开关储能电容C_B继续充电；

步骤4：控制板卡向上级控制系统发送故障状态信息；上级控制系统接收到故障状态信息后下发旁路命令，控制板卡检测保护单元检测旁路开关储能电容C_B电压满足合闸条件，旁路触发单元触发旁路开关K_B合闸，控制板卡向上级控制系统发送旁路开关K_B位置信号；系统继续运行。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，参照上述实施例进行的各种形式修改或变更均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路，所述功率模块包括功率半导体单元、功率模块电容C_M、旁路开关K_B、电源板卡以及控制板卡，所述旁路开关K_B包括控制线圈、旁路开关储能电容C_B，所述电源板卡给控制板卡和旁路开关储能电容C_B供电，所述电源板卡的输出正端连接旁路开关储能电容C_B的正极、输出负端连接旁路开关储能电容C_B负极，其特征在于：所述基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第一稳压管VD1、第一击穿二极管D_BO以及连接模块构成；

所述连接模块是二极管、导线、机械开关、继电器、电子开关或半导体可控器件；

所述第一电阻R1一端与功率模块电容C_M正极相连，第一电阻R1另一端与第二电阻R2一端相连，第二电阻R2另一端与功率模块电容C_M负极相连；

所述连接模块一端连接至第一电阻R1与第二电阻R2的连接点，连接模块另一端连接至旁路开关储能电容C_B正极，旁路开关储能电容C_B负极连接至功率模块电容C_M负极；

所述第三电阻R3一端连接至功率模块电容C_M正极，第三电阻R3另一端连接至第一击穿二极管D_BO阳极，第一击穿二极管D_BO阴极连接至第一稳压管VD1阴极，第一稳压管VD1阳极连接至功率模块电容C_M负极；所述第一稳压管VD1阴极连接至控制板卡输入正端，第一稳压管VD1阳极连接至控制板卡输入负端。

2.如权利要求1所述的基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路，其特征在于：所述控制板卡包含通讯单元、旁路触发单元以及检测保护单元，所述旁路开关K_B的控制线圈一端连接至旁路开关储能电容C_B正极，旁路开关K_B的控制线圈另一端连接至可控开关Q_B的正极，可控开关Q_B的负极连接至旁路开关储能电容C_B负极，所述旁路触发单元控制可控开关Q_B的开通和关断。

3.如权利要求1所述的基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路，其特征在于：所述的第一电阻R1和第二电阻R2分别是单个电阻或多个电阻串、并联的结构。

4.如权利要求1所述的基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路，其特征在于：所述功率半导体单元是至少包含两个功率半导体器件的半桥连接方式、至少包含四个功率半导体器件的全桥连接方式。

5.如权利要求1-4中任一项所述的一种基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路的控制方法，其特征在于：当功率模块启动前，电源板卡已经故障，旁路功能实施包含如下步骤；

步骤1：功率模块开始预充电，功率模块电容C_M电压开始上升，电源板卡故障未工作；冗余供能电路的第一电阻R1、第二电阻R2分压后通过连接模块自动投入，给旁路开关储能电容C_B充电；

步骤2：功率模块电容C_M电压上升到第一击穿二极管D_BO击穿电压，第一击穿二极管D_BO击穿动作，控制板卡带电工作；旁路开关储能电容C_B继续充电；

步骤3：控制板卡检测保护单元检测到功率模块存在故障，并向上级控制系统发送故障状态信息，上级控制系统接收到故障状态信息后下发旁路命令；

步骤4：控制板卡检测保护单元检测旁路开关储能电容C_B电压满足合闸条件后，旁路触发单元触发旁路开关K_B合闸，控制板卡通讯单元向上级控制系统发送旁路开关K_B位置信号；系统继续运行。

6.如权利要求1-4中任一项所述的一种基于击穿二极管的功率模块冗余供能电路的控制方法，其特征在于：当功率模块在运行过程中，发生故障，旁路功能实施包含如下步骤；

步骤1：功率模块开始预充电，功率模块电容C_M电压开始上升，电源板卡输入欠压未启动；冗余供能电路的第一电阻R1、第二电阻R2分压后通过连接模块自动投入，给旁路开关储能电容C_B充电；

步骤2：功率模块电容C_M电压上升到电源板卡启动电压以上，电源板卡正常工作，给旁路开关储能电容C_B充电，给控制板卡供电；冗余供能电路从给旁路开关储能电容C_B充电状态自动退出；

步骤3：

情况①：控制板卡检测保护单元检测到功率模块发生故障、电源板卡正常；

情况②：电源板卡发生故障，控制板卡失电，功率模块电容C_M电压上升到第一击穿二极管D_BO击穿电压，第一击穿二极管D_BO击穿动作，控制板卡恢复工作；冗余供能电路的第一电阻R1、第二电阻R2分压后通过连接模块自动投入给旁路开关储能电容C_B继续充电；

步骤4：控制板卡向上级控制系统发送故障状态信息；上级控制系统接收到故障状态信息后下发旁路命令，控制板卡检测保护单元检测旁路开关储能电容C_B电压满足合闸条件，旁路触发单元触发旁路开关K_B合闸，控制板卡向上级控制系统发送旁路开关K_B位置信号；系统继续运行。

Images