一種IGBT元件運行狀態監測裝置的製作方法

2024-02-11 00:07:15

本發明涉及一種監測裝置，具體講涉及一種IGBT元件運行狀態監測裝置。

背景技術：

與基於自然換相技術的電流源型換流器的傳統直流輸電不同，柔性直流輸電技術是一種以電壓源換流器、可控關斷器件和脈寬調製(PWM技術)為基礎的新型直流輸電技術，電壓源換流器(voltage source converter簡稱VSC)是柔性直流輸電系統的核心裝備。這種輸電技術能夠瞬時實現有功和無功的獨立解耦控制、能向無源網絡供電、換流站間無需通訊、且易於構成多端直流系統。另外，該輸電技術能同時向系統提供有功功率和無功功率的緊急支援，在提高系統的穩定性和輸電能力等方面具有優勢。

柔性直流輸電的控制方式和運行方式靈活，傳輸的有功功率和無功功率可以獨立控制，而且適合中小功率的系統運行，目前已有12個柔性直流輸電工程在運行。以VSC為換流單元的柔性直流輸電所具有的技術經濟特點十分適合不同規模的風力、太陽能等可再生能源的併網發電。電壓源換流器既能滿足不同規模的可再生能源併網發電需求，也能滿足整個電網的安全、穩定、經濟運行的要求，避免因採用其他輸電方式對電網產生的不利影響。

由於柔性直流輸電系統輸電電壓等級逐漸提高，由最初的幾十千伏到現今投運最高電壓等級±320kV，換流閥子模塊應用的可關斷器件數量由最初的幾百片上升到近萬片，則換流閥核心可關斷器件IGBT失效特性成為影響柔性直流輸電系統可靠性的關鍵因素。為保證柔性直流輸電系統可靠運行，需要對其核心器件換流閥內每個開關器件IGBT的運行狀態進行監測。

技術實現要素：

為了解決現有技術中所存在的上述問題，本發明提供一種IGBT元件運行狀態監測裝置，該裝置通過對每塊可關斷電力電子器件IGBT的驅動器進行優化設計，從而完成對於各個IGBT元件的運行狀態監測，運行參數統計，並將監測信息上報控制單元，實現對IGBT元件的整體監測功能，達到從整體上提高柔性直流換流閥運行可靠性的目的。

本發明提供的技術方案是：一種IGBT元件運行狀態監測裝置，所述裝置包括控制單元和IGBT驅動器，所述IGBT驅動器設於驅動板卡上，所述控制單元通過光通訊接口與所述IGBT驅動器相連；其改進之處在於：所述控制單元以曼徹斯特編碼的方式發送控制命令給所述IGBT 驅動器，以使所述IGBT驅動器驅動IGBT元件開通或關斷；所述IGBT驅動器檢測所述IGBT元件在運行過程中的門極電壓Vge、集電極-發射極電壓Vce、IGBT元件開通時間、驅動板卡電源電壓、驅動板卡運行環境溫度和電源溫度，並將檢測到的信號以曼徹斯特編碼的方式發送給所述控制單元。

優選的，所述IGBT驅動器包括邏輯控制模塊，監測控制模塊，光通訊接口，電源輸入模塊和短路檢測模塊；

所述邏輯控制模塊包括邏輯控制器和門極控制電路，所述門極控制電路分別與IGBT元件的門極和發射極雙向連接，所述邏輯控制器分別與所述短路檢測模塊、所述監測控制模塊和所述光通訊接口雙向連接，所述監測控制模塊還與所述光通訊接口、所述電源輸入模塊、所述IGBT元件的集電極和門極雙向連接，所述短路檢測模塊還與所述IGBT元件的集電極和所述監測控制模塊連接。

進一步，所述短路檢測模塊檢測所述IGBT元件的短路故障，並將短路故障信息通過所述邏輯控制器回傳給控制單元，實現IGBT元件的短路檢測；

所述邏輯控制器在所述控制單元的控制下通過門極控制電路實現對IGBT元件的控制；

所述監測控制模塊檢測所述IGBT元件在運行過程中的門極電壓Vge，集電極-發射極電壓Vce，IGBT元件開通時間，驅動板卡電源電壓，驅動板卡運行環境溫度和電源溫度，並將檢測信息通過邏輯控制器回傳給控制單元，實現IGBT元件運行狀態的監測；

所述光通訊接口連接所述控制單元和所述IGBT驅動器，用於將所述控制單元發出的光信號轉換為相應的電信號傳輸給邏輯控制器，並將所述邏輯控制器發出的電信號轉化為相應的光信號返回給所述控制單元，實現所述控制單元和所述IGBT驅動器之間的控制反饋信息交換；

所述電源輸入模塊為所述邏輯控制器、所述監測控制模塊和所述光通訊接口提供工作電源。

進一步，所述邏輯控制器包括內核頂層模塊和光纖通訊模塊；

所述內核頂層模塊包括時鐘採集模塊、電壓採集模塊和電壓信號處理模塊；

所述時鐘採集模塊分別連接外部時鐘電路和光纖通訊模塊中的時鐘分頻模塊，用於採集外部時鐘電路提供的時鐘信號，並將所述時鐘信號輸出給所述時鐘分頻模塊進行時鐘分頻；

所述時鐘採集模塊還與所述電壓採集模塊相連，用於提供所述電壓採集模塊的時鐘信號；

所述電壓採集模塊分別連接所述監測控制模塊和所述電壓信號處理模塊，用於採集所述監測控制模塊輸入端接收的模擬電壓信號，將所述模擬電壓信號轉換為數位訊號後通過所述 電壓信號處理模塊傳輸給所述光纖通訊模塊中的控制保護單元；

所述電壓信號處理模塊分別連接所述監測控制模塊和所述光纖通訊模塊中的控制保護單元，用於接收所述監測控制模塊輸出的數字電壓信號，將所述數字電壓信號直接傳輸給所述光纖通訊模塊中的控制保護單元，為控制保護單元的保護動作提供判據；

所述電壓信號處理模塊還與光纖通訊模塊中的曼徹斯特編碼發送模塊相連，用於將所述數字電壓信號傳輸給曼徹斯特編碼發送模塊，經所述曼徹斯特編碼發送模塊編碼後發送給控制單元。

進一步，所述光纖通訊模塊包括時鐘分頻模塊、信號接口模塊、曼徹斯特編碼發送模塊、曼徹斯特編碼接收模塊和控制保護單元；

所述時鐘分頻模塊分別連接並提供時鐘信號給所述控制保護單元、所述信號接口模塊、所述曼徹斯特編碼發送模塊和所述曼徹斯特編碼接收模塊；

所述時鐘分頻模塊、所述控制保護單元、所述信號接口模塊、所述曼徹斯特編碼發送模塊、以及所述曼徹斯特編碼接收模塊的復位動作受控制單元控制；

所述信號接口模塊分別與監測控制模塊和所述曼徹斯特編碼發送模塊相連，用於接收所述監測控制模塊的檢測信息，並將所述檢測信息傳輸給所述曼徹斯特編碼發送模塊；

所述信號接口模塊還與門極控制電路和控制保護單元相連，用於將監測控制模塊的檢測信息傳輸給控制保護單元，並接收所述控制保護單元下發的驅動命令，根據所述驅動命令控制所述門極控制電路驅動IGBT元件的開通或關斷；

所述曼徹斯特編碼發送模塊的輸入端與所述控制保護單元和所述信號接口模塊相連，其輸出端通過光通訊接口與所述控制單元相連，用於接收所述控制保護單元和所述信號接口模塊的數據信息，並將接收到的信息打包為曼徹斯特編碼後通過光通訊接口發送給所述控制單元；

所述曼徹斯特編碼接收模塊的輸入端通過光通訊接口與控制單元相連，其輸出端與控制保護單元相連，用於接收並解碼控制單元下發的曼徹斯特編碼信息，並將解碼後的信息傳輸給控制保護單元；

所述控制保護單元分別與信號接口模塊、曼徹斯特編碼接收模塊和曼徹斯特編碼發送模塊連接，用於分析並處理信號接口模塊的實時數據信息，發出相應的故障告警信息、故障閉鎖指令給曼徹斯特編碼發送模塊上傳至控制單元；同時接收曼徹斯特編碼接收模塊的緊急閉鎖信息，通過信號接口模塊及時閉鎖IGBT模塊。

進一步，所述曼徹斯特編碼接收模塊包括同步時鐘提取模塊、以及數據接收模塊；

所述同步時鐘提取模塊包括曼徹斯特編碼信號接收模塊，同步時鐘信號產生模塊，同步時鐘信號控制模塊；

所述曼徹斯特編碼信號接收模塊接收控制單元發送的曼徹斯特編碼信號，並將所述曼徹斯特編碼信號發送給所述同步時鐘信號控制模塊，所述同步時鐘信號控制模塊根據所述曼徹斯特編碼信號的高低電平變化，控制所述同步時鐘信號產生模塊產生與所述曼徹斯特編碼信號同步的時鐘信號；

所述數據接受模塊包括同步時鐘信號檢測模塊、曼徹斯特編碼識別模塊和曼徹斯特編碼識別控制模塊；

所述同步時鐘信號檢測模塊檢測所述同步時鐘信號產生模塊產生的同步時鐘信號，並將所述同步時鐘信號發送給曼徹斯特編碼識別控制模塊，所述曼徹斯特編碼識別控制模塊根據所述同步時鐘信號高低電平的變化，控制所述曼徹斯特編碼識別模塊讀取控制單元發送的曼徹斯特編碼信號。

進一步，所述曼徹斯特編碼識別控制模塊通過如下方式控制所述曼徹斯特編碼識別模塊：

當所述曼徹斯特編碼識別控制模塊判斷所述時鐘信號由高電平變為低電平時，控制所述曼徹斯特編碼識別模塊以40MHz的時鐘連續讀取控制單元發送的曼徹斯特編碼信號，所述曼徹斯特編碼識別模塊根據多數判決的方法確定所述曼徹斯特編碼信號的數據類型，當多次讀取中有2次以上為高電平時，判定接收數據為1，否則判定接收數據為0。

進一步，所述曼徹斯特編碼信號包括IGBT驅動器邏輯電路運行模式命令和IGBT投切命令，所述IGBT驅動器邏輯電路運行模式命令和IGBT投切命令由門極控制電路執行。

與最接近的現有技術相比，本發明具有如下顯著進步：

常規變頻領域，由於其IGBT模塊開關頻率較高，IGBT驅動器和控制單元通訊多採取簡單的脈衝編碼方式，只能傳送一些基本的信息量；本文採用曼徹斯特編碼方式將IGBT驅動器監控到的數據信息傳輸給控制器單元，並通過曼徹斯特編碼的方式將控制單元下發的控制命令傳輸給IGBT驅動器，可將IGBT元件運行狀態信息進行採集匯總並實時上傳至控制單元，使控制單元實現對IGBT元件運行狀態的監測，克服了傳統IGBT驅動器與控制單元之間傳輸數據信息過於單調的缺陷。

附圖說明

圖1本發明提供的IGBT元件運行狀態監測裝置的整體硬體框圖；

圖2為圖1中IGBT驅動器的硬體結構框圖；

圖3為圖2中邏輯控制器的軟體結構框圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的具體實施方式作進一步的詳細說明。

為了徹底了解本發明實施例，將在下列的描述中提出詳細的結構。顯然，本發明實施例的施行並不限定於本領域的技術人員所熟習的特殊細節。本發明的較佳實施例詳細描述如下，然而除了這些詳細描述外，本發明還可以具有其他實施方式。

本發明提供的IGBT元件運行狀態監測裝置的整體硬體框圖如圖1所示：所述裝置包括控制單元和IGBT驅動器，所述IGBT驅動器設於驅動板卡上，所述控制單元通過光通訊接口與所述IGBT驅動器相連；為了將IGBT元件的運行狀態信息進行採集匯總並實時上傳至控制單元，使控制單元實現對IGBT元件運行狀態的監測，控制單元以曼徹斯特編碼的方式發送控制命令給所述IGBT驅動器，以使所述IGBT驅動器驅動IGBT元件開通或關斷；所述IGBT驅動器檢測所述IGBT元件在運行過程中的門極電壓Vge，集電極-發射極電壓Vce，IGBT元件開通時間，驅動板卡電源電壓，驅動板卡運行環境溫度和電源溫度，並將檢測到的信號以曼徹斯特編碼的方式發送給所述控制單元。

IGBT驅動器的硬體結構框圖如圖2所示：所述IGBT驅動器包括邏輯控制模塊，監測控制模塊，光通訊接口，電源輸入模塊和短路檢測模塊；

所述邏輯控制模塊包括邏輯控制器和門極控制電路，所述門極控制電路分別與IGBT元件的門極和發射極雙向連接，所述邏輯控制器分別與所述短路檢測模塊、所述監測控制模塊和所述光通訊接口雙向連接，所述監測控制模塊還與所述光通訊接口、所述電源輸入模塊、所述IGBT元件的集電極和門極雙向連接，所述短路檢測模塊還與所述IGBT元件的集電極和所述監測控制模塊連接。

所述短路檢測模塊檢測所述IGBT元件的短路故障，並將短路故障信息通過所述邏輯控制器回傳給控制單元，實現IGBT元件的短路檢測；

所述邏輯控制器在所述控制單元的控制下通過門極控制電路實現對IGBT元件的控制；

所述監測控制模塊檢測所述IGBT元件在運行過程中的門極電壓Vge，集電極-發射極電壓Vce，IGBT元件開通時間，驅動板卡電源電壓，驅動板卡運行環境溫度和電源溫度，並將檢測信息通過邏輯控制器回傳給控制單元，實現IGBT元件運行狀態的監測；

此外，所述監測控制器還將以上檢測量進行統計匯總：包括測量次數、平均值、最大值、最小值、開關次數、過電壓箝位動作次數、短路類型、驅動板電源狀態等檢測信息，並將統 計匯總後的信息通過邏輯控制器上報給控制單元。

所述光通訊接口連接所述控制單元和所述IGBT驅動器，用於將所述控制單元發出的光信號轉換為相應的電信號傳輸給邏輯控制器，並將所述邏輯控制器發出的電信號轉化為相應的光信號返回給所述控制單元，實現所述控制單元和所述IGBT驅動器之間的控制反饋信息交換；

所述電源輸入模塊為所述邏輯控制器、所述監測控制模塊和所述光通訊接口提供工作電源。

邏輯控制器的軟體結構框圖如圖3所示：所述邏輯控制器包括內核頂層模塊和光纖通訊模塊；

所述內核頂層模塊包括時鐘採集模塊、電壓採集模塊和電壓信號處理模塊；

所述時鐘採集模塊分別連接外部時鐘電路和光纖通訊模塊中的時鐘分頻模塊，用於採集外部時鐘電路提供的時鐘信號，並將所述時鐘信號輸出給所述時鐘分頻模塊進行時鐘分頻；

所述時鐘採集模塊還與所述電壓採集模塊相連，用於提供所述電壓採集模塊的時鐘信號；

所述電壓採集模塊分別連接所述監測控制模塊和所述電壓信號處理模塊，用於採集所述監測控制模塊輸入端接收的模擬電壓信號，將所述模擬電壓信號轉換為數位訊號後通過所述電壓信號處理模塊傳輸給所述光纖通訊模塊中的控制保護單元；

所述電壓信號處理模塊分別連接所述監測控制模塊和所述光纖通訊模塊中的控制保護單元，用於接收所述監測控制模塊輸出的數字電壓信號，將所述數字電壓信號直接傳輸給所述光纖通訊模塊中的控制保護單元，為控制保護單元的保護動作提供判據；

所述電壓信號處理模塊還與光纖通訊模塊中的曼徹斯特編碼發送模塊相連，用於將所述數字電壓信號傳輸給曼徹斯特編碼發送模塊，經所述曼徹斯特編碼發送模塊編碼後發送給控制單元。

所述光纖通訊模塊包括時鐘分頻模塊、信號接口模塊、曼徹斯特編碼發送模塊、曼徹斯特編碼接收模塊和控制保護單元；

所述時鐘分頻模塊分別連接並提供時鐘信號給所述控制保護單元、所述信號接口模塊、所述曼徹斯特編碼發送模塊和所述曼徹斯特編碼接收模塊；

所述時鐘分頻模塊、所述控制保護單元、所述信號接口模塊、所述曼徹斯特編碼發送模塊、以及所述曼徹斯特編碼接收模塊的復位動作受控制單元控制；

所述信號接口模塊分別與監測控制模塊和所述曼徹斯特編碼發送模塊相連，用於接收所述監測控制模塊的檢測信息，並將所述檢測信息傳輸給所述曼徹斯特編碼發送模塊；

所述信號接口模塊還與門極控制電路和控制保護單元相連，用於將監測控制模塊的檢測信息傳輸給控制保護單元，並接收所述控制保護單元下發的驅動命令，根據所述驅動命令控制所述門極控制電路驅動IGBT元件的開通或關斷；

所述曼徹斯特編碼發送模塊的輸入端與所述控制保護單元和所述信號接口模塊相連，其輸出端通過光通訊接口與所述控制單元相連，用於接收所述控制保護單元和所述信號接口模塊的數據信息，並將接收到的信息打包為曼徹斯特編碼後通過光通訊接口發送給所述控制單元；

所述曼徹斯特編碼接收模塊的輸入端通過光通訊接口與控制單元相連，其輸出端與控制保護單元相連，用於接收並解碼控制單元下發的曼徹斯特編碼信息，並將解碼後的信息傳輸給控制保護單元；

所述控制保護單元分別與信號接口模塊、曼徹斯特編碼接收模塊和曼徹斯特編碼發送模塊連接，用於分析並處理信號接口模塊的實時數據信息，發出相應的故障告警信息、故障閉鎖指令給曼徹斯特編碼發送模塊上傳至控制單元；同時接收曼徹斯特編碼接收模塊的緊急閉鎖信息，通過信號接口模塊及時閉鎖IGBT模塊。

所述曼徹斯特編碼接收模塊包括同步時鐘提取模塊、以及數據接收模塊；

所述同步時鐘提取模塊包括曼徹斯特編碼信號接收模塊，同步時鐘信號產生模塊，同步時鐘信號控制模塊；

所述曼徹斯特編碼信號接收模塊接收控制單元發送的曼徹斯特編碼信號，並將所述曼徹斯特編碼信號發送給所述同步時鐘信號控制模塊，所述同步時鐘信號控制模塊根據所述曼徹斯特編碼信號的高低電平變化，控制所述同步時鐘信號產生模塊產生與所述曼徹斯特編碼信號同步的時鐘信號；

所述數據接受模塊包括同步時鐘信號檢測模塊、曼徹斯特編碼識別模塊和曼徹斯特編碼識別控制模塊；

所述同步時鐘信號檢測模塊檢測所述同步時鐘信號產生模塊產生的同步時鐘信號，並將所述同步時鐘信號發送給曼徹斯特編碼識別控制模塊，所述曼徹斯特編碼識別控制模塊根據所述同步時鐘信號高低電平的變化，控制所述曼徹斯特編碼識別模塊讀取控制單元發送的曼徹斯特編碼信號。

所述曼徹斯特編碼識別控制模塊通過如下方式控制所述曼徹斯特編碼識別模塊：

當所述曼徹斯特編碼識別控制模塊判斷所述時鐘信號由高電平變為低電平時，控制所述曼徹斯特編碼識別模塊以40MHz的時鐘連續讀取控制單元發送的曼徹斯特編碼信號，所述曼 徹斯特編碼識別模塊根據多數判決的方法確定所述曼徹斯特編碼信號的數據類型，當多次讀取中有2次以上為高電平時，判定接收數據為1，否則判定接收數據為0。

所述曼徹斯特編碼信號包括IGBT驅動器邏輯電路運行模式命令和IGBT投切命令，所述IGBT驅動器邏輯電路運行模式命令和IGBT投切命令由門極控制電路執行。

最後應當說明的是：以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員依然可以對本發明的具體實施方式進行修改或者等同替換，這些未脫離本發明精神和範圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的權利要求保護範圍之內。