用於晶閘管閥組的觸發及在線監測系統的製作方法

2023-07-19 15:16:56 1

專利名稱：用於晶閘管閥組的觸發及在線監測系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於晶閘管閥組的觸發及在線監測系統。
背景技術：
晶閘管是一種電流觸髮型器件，晶閘管的導通需要在門極提供一定大小和寬度的 電流脈衝。由大功率晶閘管組成的高壓晶閘管閥組是高壓直流輸電、靜態無功補償、高壓軟 啟動等高壓大功率應用場合的核心部件，如何可靠的實現對高壓晶間管閥組的觸發和在線 監測是使上述設備可靠運行的關鍵。而現有技術中，還無法確保整個晶間管閥組的一致性 觸發，也無法保證晶閘管閥組的可靠開通。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術的缺點與不足，提供用於晶閘管閥組的觸發及在 線監測系統，該系統能夠為晶閘管閥組提供一致性強脈衝觸發，能夠對晶閘管閥組上的每 只晶閘管的狀態進行監測。本發明的目的通過下述技術方案實現用於晶閘管閥組的觸發及在線監測系統， 設有若干個相串聯的晶間管組件，包括邏輯控制電路，以及分別與邏輯控制電路連接的接 收和發送迴路、門極觸發電路以及晶閘管狀態監測電路；所述邏輯控制電路通過門極觸發 電路產生觸發脈衝觸發晶閘管；所述接收和發送迴路用於傳輸晶閘管閥組觸發信號、晶閘 管狀態信號；所述晶閘管狀態監測電路用於監測晶閘管的狀態，並提供晶閘管狀態信號給 邏輯控制電路。所述門極觸發電路包括高壓隔離脈衝變壓器、功率開關器件，以及串聯在高壓隔 離脈衝變壓器一次側的驅動電路；所述高壓隔離脈衝變壓器的二次側經過功率開關器件後 與晶閘管門極連接；驅動電路接收由邏輯控制電路發出的驅動信號，並對驅動信號進行放 大處理，然後依次經過高壓隔離脈衝變壓器、功率開關器件後對晶間管門極進行驅動。所述若干個相串聯的晶閘管組件中，每個晶閘管組件均包括一對反並聯的高壓功 率晶間管、動態阻容吸收電路、靜態均壓電路和晶間管觸發及在線監測模塊，靜態均壓電路 連接在晶閘管觸發及在線監測模塊與所述一對反並聯的高壓功率晶閘管的並聯節點之間， 動態阻容吸收電路並聯在所述一對反並聯晶閘管的兩端。所述靜態均壓電路為高壓無感功率電阻R1。所述動態阻容吸收電路由相串聯的高壓無感功率電阻R3與高壓無感電容Cl所構 成。所述邏輯控制電路包括依次連接的用於接收並鎖存門極觸發控制信號的第一觸 發器，晶間管狀態檢測及重觸發邏輯電路，以及用於在時鐘下降沿時觸發產生一個寬度可 調的觸發脈衝信號、並在觸發脈衝信號發出來之後產生門極觸發信號從而對晶間管進行可 靠觸發的第二觸發器。上述用於晶閘管閥組的觸發及在線監測系統，還包括與邏輯控制電路連接的緊急觸發電路；所述緊急觸發電路並聯在晶閘管兩端。本發明相對於現有技術具有如下的優點及效果1、本系統的控制信號通過光纖發送到晶閘管閥基的觸發電路板，邏輯控制電路部 分對控制信號、晶間管狀態信號、取能電路狀態信號進行綜合處理，最後給出觸發信號，將 閥組導通。本系統能夠為晶閘管閥組提供一致性強脈衝觸發，能夠對晶閘管閥組上的每隻 晶閘管的狀態進行監測；在觸發信號發出後，如有晶閘管因為參數的一致性差異導致延遲 觸發，則門極觸發電路會立即補發一個觸發脈衝，確保整個晶間管閥組的一致性觸發，從而 保證晶閘管閥組的可靠開通。2、本發明應用於高壓晶閘管閥組，閥組特徵為每兩隻高壓大功率晶閘管正反並 接在一起，並設有靜態均壓電阻和動態阻容吸收電路，以保護在閥組開通關斷時的電壓和 電流衝擊對晶閘管造成的損害。3、採用高壓隔離大功率脈衝變壓器作為與正向晶閘管反並聯的晶閘管的觸發，該 高壓隔離大功率脈衝變壓器能夠提供極陡點電流上升前沿及觸發功率，能可靠完成反向晶 閘管閥組的一致性可靠觸發，從而實現一對正反並晶閘管閥組的觸發。且正反並的兩隻晶 閘管共用一路BOD緊急觸發二極體作為備用觸發，當觸發信號出現故障，或觸發電路故障 時，BOD電路將提供緊急觸發。4、正向觸發電路採用脈衝變壓器將觸發信號與正向晶閘管門極進行隔離，能有效 防止晶閘管閥組主電路對門極觸發電路的幹擾，保證晶閘管閥組的安全可靠運行。


圖1是晶閘管高電位觸發及狀態監測電路原理圖；圖2是高壓晶閘管閥組的原理圖；圖3是晶閘管的門極觸發電路圖；圖4是晶閘管的邏輯控制電路圖；圖5是緊急觸發電路圖。
具體實施例方式下面結合實施例及附圖對本發明作進一步詳細的描述，但本發明的實施方式不限 於此。實施例如圖1所示，本發明所採用的晶閘管觸發及狀態監測系統，包括邏輯控制電路、電 源模塊，以及分別與邏輯控制電路連接的光纖接收和發送迴路、門極觸發電路、緊急觸發電 路以及晶閘管狀態監測電路。其中，電源模塊包括取能迴路、電源監測迴路和電源轉換回 路，電源模塊為整個系統提供工作電源並對電源狀態進行監測，在電源出現故障時通過光 纖接收和發送迴路向主控制器發出故障信號。光纖接收和發送迴路接收主控制器發送過來 的晶閘管閥組觸發信號，並往主控制器返回晶閘管狀態信號、緊急觸發電路狀態信號等。邏 輯控制電路根據各狀態信號及觸發信號，發出門極觸發信號，通過門極觸發電路產生大電 流觸發脈衝觸發晶閘管。晶閘管狀態監測電路用於監測晶閘管的狀態，並提供狀態信號給 邏輯控制電路，進行邏輯處理。當正常觸發電路出現故障時，緊急觸發電路將可靠動作，將故障電路所對應的晶間管可靠觸發，並通過光纖接收和發送迴路將緊急觸發信號回報給主 控制器。所述主控制器與本發明用於晶閘管閥組的觸發及狀態監測系統中的光纖接收電路 連接。本發明所採用的晶閘管閥組如圖2所示，設有若干個相串聯的晶閘管組件，晶閘 管組件的數量根據應用電壓等級的不同而設定。每個高壓晶間管組件包括一對反並聯的高 壓功率晶閘管、動態阻容吸收電路、靜態均壓電路和晶閘管觸發及在線監測模塊，靜態均壓 電路連接在晶閘管觸發及在線監測模塊與所述一對反並聯的高壓功率晶閘管的並聯節點 之間，所述動態阻容吸收電路與晶閘管觸發及在線監測模塊上的部分電路共同組成取能回 路，動態阻容吸收電路並聯在一對反並聯晶閘管的兩端。以第一組晶閘管閥組為例，每組晶 閘管閥組包括一對反並聯的高壓功率晶閘管Ql、Q3，連接在晶閘管觸發及在線監測模塊與 高壓功率晶閘管Q1、Q3並聯節點之間的高壓無感功率電阻R1，由相串聯的高壓無感功率電 阻R3與高壓無感電容Cl所構成的動態阻容吸收電路；所述高壓無感功率電阻Rl為靜態均 壓電阻，構成上述的靜態均壓電路。由於晶閘管參數性能的不一致，在晶閘管關斷時，漏電流的不一致將導致同一閥 組上的晶閘管承受的電壓不一致，影響閥組整體性能；因此需採用高壓無感功率電阻實現 閥組每個器件的靜態均壓；本實施例採用上述高壓無感功率電阻Rl來構成靜態均勻電路 的。在閥組開通和關斷時，為了保護開通最晚和關斷最早的器件，需採用由高壓無感功率 電組和高壓無感電容組成的動態阻容吸收電路進行保護；本實施例採用高壓無感功率電阻 R3與高壓無感電容Cl相串聯來構成動態阻容吸收電路。如圖3所示，門極觸發電路包括高壓隔離脈衝變壓器、功率開關器件Q2，以及串聯 在高壓隔離脈衝變壓器一次側的驅動電路，所述高壓隔離脈衝變壓器的二次側經過功率開 關器件Q2後與晶閘管門極連接；驅動電路接收由邏輯控制電路發出的驅動信號，並對驅動 信號進行放大處理，然後依次經過高壓隔離脈衝變壓器、功率開關器件Q2後對晶間管門極 進行驅動。高壓隔離脈衝變壓器及功率開關器件Q2共同實現對一對正反並聯的晶閘管進 行驅動觸發。在該電路中，當晶閘管Ql正向電壓偏置、晶閘管Q3反向電壓偏置時，MOSFET 驅動晶片ICl接收到主控制器發送出來的門極觸發信號，產生一個最高達2A的門極觸發電 流來快速驅動MOSFET器件Q4，通過驅動電路進一步的隔離及功率放大，產生一個更大功率 的驅動信號來驅動開關器件Q2 ；Q2導通後，觸發電源通過Rl、C2電路和二極體D7、穩壓二 極管D8在大功率晶閘管Ql的門極G12、K12產生一個非常陡峭的門極電流，使得Ql觸發導 通。此時在脈衝變壓器PT的二次側也會產生門極電流，但由於此時Q3為反向偏置，PT 二 次側形成的電流並不能使Q3觸發導通。當Ql反向偏置且Q3正向偏置時，觸發電流流經高 壓隔離脈衝變壓器PT，在PT的二次側，即大功率晶閘管Q3的門極Gil、Kll產生陡峭的門 極電流，觸發Q3導通。此時在Ql的門極G12、K12也會產生一個門極電流，但由於此時Ql 承受的是反向電壓，所以並不會造成Ql的誤導通。如上所述，本發明所設計的門極觸發電路，採用高壓隔離脈衝變壓器，能夠在一塊 電路板上實現一對正反並聯的晶閘管的觸發。門極觸發電路採用MOSFET專用驅動晶片，驅 動信號經隔離放大後加於晶閘管門極，整體電路抗幹擾能力強，電路延時短且穩定，從控制 器觸發信號發出到產生門極觸發電流，整體的電路延時小於200ns，門極電流上升時間小於 0. 5us，能保證非常好的一致性觸發效果。5
如圖4所示，邏輯控制電路包括依次連接的第一觸發器U2A、晶閘管狀態檢測及重 觸發邏輯電路、第二觸發器U3A，晶間管狀態檢測及重觸發邏輯電路的輸入信號為控制電源 狀態信號、正向晶閘管狀態信號和反並聯晶閘管狀態信號。第一觸發器U2A接收並鎖存門 極觸發控制信號，提高控制電路的抗幹擾能力，保證觸發邏輯電路不發出誤觸發信號。第二 觸發器U3A在時鐘下降沿時觸發產生一個寬度可調的觸發脈衝信號；當觸發脈衝信號發出 來之後，當控制電源正常，而且晶閘管已經達到一定的正向偏壓之後，才能產生門極觸發信 號，以保證晶閘管的可靠觸發。該電路的另一特點是在觸發信號結束後，如被觸發的晶閘管 沒有維持導通而重新關斷，則將重新產生一正向偏壓信號，控制電路將重新發出一個觸發 脈衝信號以重新觸發該晶間管，這將大大提高晶間管閥組的運行可靠性能。圖5為並聯在晶閘管兩端的緊急觸發電路，本發明能實現正反並聯晶閘管的緊急 觸發保護功能。緊急觸發電路包括高壓二極體橋、與高壓二極體橋連接的BOD緊急觸發二 極管以及與高壓二極體橋連接的BOD緊急觸發檢測電路，高壓二極體橋和BOD緊急觸發二 極管對正反並聯的晶閘管進行雙向保護。當門極觸發電路出現故障，甚至整個晶閘管觸發 與在線監測電路出現故障時，緊急觸發電路仍然能夠及時、可靠的實現晶閘管的觸發，並將 緊急觸發信號發送到主控制器。當晶閘管正向偏壓，且觸發電路出現故障而未能發出觸發 信號時，過高的電壓將經過D5、D3、D7加在緊急觸發二極體上面，當電壓達到觸發電壓時， 二極體被擊穿導通，經過限流電阻R2的限流，產生一個電流波形加在晶閘管的門極G1、K1， 將晶閘管觸發導通。當反向晶閘管正向偏壓且觸發電路故障時，電流經過D10、R2、D4、D6在 反並聯晶閘管的門極G2、K2產生一個門極電流波形，將反向並聯晶閘管觸發導通。反並聯 晶閘管中的任何一隻產生動作觸發時，都將通過緊急觸發檢測電路獲得一個動作信號，該 信號經光纖發送電路處理後發送到主控制器，報告晶間管閥組發生緊急觸發的具體位置。 所以，本發明所設計的緊急觸發電路，既能保證對晶閘管的可靠觸發，還能及時向控制系統 準確回報動作器件的具體位置，實現整個閥組的良好的控制性能。上述實施例為本發明較佳的實施方式，但本發明的實施方式並不受上述實施例的 限制，其他的任何未背離本發明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發明的保護範圍之內。權利要求
1.用於晶閘管閥組的觸發及在線監測系統，設有若干個相串聯的晶閘管組件，其特徵 在於，包括邏輯控制電路，以及分別與邏輯控制電路連接的接收和發送迴路、門極觸發電路 以及晶間管狀態監測電路；所述邏輯控制電路通過門極觸發電路產生觸發脈衝觸發晶閘 管；所述接收和發送迴路用於傳輸晶閘管閥組觸發信號、晶閘管狀態信號；所述晶閘管狀 態監測電路用於監測晶閘管的狀態，並提供晶閘管狀態信號給邏輯控制電路。
2.根據權利要求1所述的用於晶閘管閥組的觸發及在線監測系統，其特徵在於，所述 門極觸發電路包括高壓隔離脈衝變壓器、功率開關器件，以及串聯在高壓隔離脈衝變壓器 一次側的驅動電路；所述高壓隔離脈衝變壓器的二次側經過功率開關器件後與晶間管門極 連接；驅動電路接收由邏輯控制電路發出的驅動信號，並對驅動信號進行放大處理，然後依 次經過高壓隔離脈衝變壓器、功率開關器件後對晶閘管門極進行驅動。
3.根據權利要求1所述的用於晶閘管閥組的觸發及在線監測系統，其特徵在於，所述 若干個相串聯的晶閘管組件中，每個晶閘管組件均包括一對反並聯的高壓功率晶閘管、動 態阻容吸收電路、靜態均壓電路和晶間管觸發及在線監測模塊，靜態均壓電路連接在晶閘 管觸發及在線監測模塊與所述一對反並聯的高壓功率晶閘管的並聯節點之間，動態阻容吸 收電路並聯在所述一對反並聯晶閘管的兩端。
4.根據權利要求3所述的用於晶閘管閥組的觸發及在線監測系統，其特徵在於，所述 靜態均壓電路為高壓無感功率電阻R1。
5.根據權利要求3所述的用於晶閘管閥組的觸發及在線監測系統，其特徵在於，所述 動態阻容吸收電路由相串聯的高壓無感功率電阻R3與高壓無感電容Cl所構成。
6.根據權利要求1所述的用於晶閘管閥組的觸發及在線監測系統，其特徵在於，所述 邏輯控制電路包括依次連接的用於接收並鎖存門極觸發控制信號的第一觸發器，晶間管狀 態檢測及重觸發邏輯電路，以及用於在時鐘下降沿時觸發產生一個寬度可調的觸發脈衝信 號、並在觸發脈衝信號發出來之後產生門極觸發信號從而對晶間管進行可靠觸發的第二觸 發器。
7.根據權利要求1所述的用於晶閘管閥組的觸發及在線監測系統，其特徵在於，還包 括與邏輯控制電路連接的緊急觸發電路；所述緊急觸發電路並聯在晶閘管兩端。
8.根據權利要求1所述的用於晶閘管閥組的觸發及在線監測系統，其特徵在於，所述 接收和發送迴路為光纖接收和發送迴路。
全文摘要
本發明用於晶閘管閥組的觸發及在線監測系統，設有若干個相串聯的晶閘管組件，其特徵在於，包括邏輯控制電路，以及分別與邏輯控制電路連接的接收和發送迴路、門極觸發電路以及晶閘管狀態監測電路；所述邏輯控制電路通過門極觸發電路產生觸發脈衝觸發晶閘管；所述接收和發送迴路用於傳輸晶閘管閥組觸發信號、晶閘管狀態信號；所述晶閘管狀態監測電路用於監測晶閘管的狀態，並提供晶閘管狀態信號給邏輯控制電路。該系統能夠為晶閘管閥組提供一致性強脈衝觸發，能夠對晶閘管閥組上的每隻晶閘管的狀態進行監測。
文檔編號H02M1/092GK102055307SQ201010503109
公開日2011年5月11日 申請日期2010年10月8日 優先權日2010年10月8日
發明者冷再興, 劉味果, 王衛宏 申請人:廣州智光電氣股份有限公司