一种具备自我保护功能的功率模块及其控制方法
阅读说明：本技术 一种具备自我保护功能的功率模块及其控制方法 (Power module with self-protection function and control method thereof ) 是由 张中锋 袁庆伟 陆翌 黄晓明 李继红 裘鹏 谢晔源 宣晓华 倪晓军 丁超 王柯 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种具备自我保护功能的功率模块,所述功率模块包括支撑电容、半桥电路、第三全控型开关器件和功率模块控制回路,第三全控型开关器件并联在功率模块输出端口；功率模块控制回路在功率模块内部半桥电路发生故障时,通过对第三全控型开关器件的开关控制维持系统电流的导通路径,并控制模块支撑电容电压在合理范围内,使得功率模块控制回路的电源供电得到保证,保持整个功率模块处于可控工作状态。(The invention provides a power module with a self-protection function, which comprises a support capacitor, a half-bridge circuit, a third fully-controlled switch device and a power module control loop, wherein the third fully-controlled switch device is connected in parallel with an output port of the power module; when a half-bridge circuit in the power module breaks down, the power module control loop maintains a conduction path of system current through the switch control of the third full-control type switching device, and the control module supports capacitor voltage within a reasonable range, so that power supply of a power supply of the power module control loop is guaranteed, and the whole power module is kept in a controllable working state.)
技术领域
本发明属于高压大功率柔性直流输变电技术领域，特别涉及一种具备自我保护功能的功率模块。
背景技术
柔性直流输电换流阀是一种将高压大电流交流电转成高压大电流直流电，并通过架空线或电缆将电能远距离传输到终端，在终端再将高压大电流直流电转换成高压交流电的设备。通过柔性直流输电换流阀可实现多个区域电网互联，可对系统传输的有功功率和无功功率进行快速控制，极大地增强了输电的灵活性。
目前，柔性直流输电换流阀中的功率模块大多采用半桥子模块拓扑结构。在系统中发生功率模块故障时，为使系统继续正常工作，需将故障功率模块用机械式开关旁路，若此时机械式开关发生旁路拒合，故障模块将不能被切除，为了避免故障范围进一步扩大，将引发整个系统跳闸。因此，亟需一种可以解决上述问题的具备自我保护功能的功率模块，在模块半桥电路IGBT发生故障闭锁而旁路开关拒合时，能够维持提供系统电流导通路径的功率模块。
发明内容
本发明旨在解决现有方案的不足，提供一种具备自我保护功能的功率模块及其控制方法，用以解决功率模块旁路开关拒合时系统跳闸问题。
为了达到上述目的，本发明具体方案如下：
一种具备自我保护功能的功率模块，所述功率模块包括支撑电容、半桥电路，还包括第三全控型开关器件和功率模块控制回路，所述第三全控型开关器件并联在功率模块输出端口；所述功率模块控制回路在功率模块内部半桥电路发生故障时，通过对第三全控型开关器件的开关控制维持系统电流的导通路径，并控制模块支撑电容电压在合理范围内，使得功率模块控制回路的电源供电得到保证，保持整个功率模块处于可控工作状态。
优选的，所述半桥电路包含第一全控型开关器件和第一反并联二极管以及第二全控型开关器件和第二反并联二极管，所述第一全控型开关器件的发射极与第二全控型开关器件的集电极相连，支撑电容的正极与第一全控型开关器件的集电极相连，支撑电容的负极与第二全控型开关器件的发射极相连，功率模块的输出端口为的发射极与的发射极。
优选的，所述功率模块控制回路的电源从功率模块支撑电容高电位自取能；当支撑电容电压大于预设值时，功率模块控制回路处于工作状态。
优选的，所述功率模块控制回路包含电源板卡、控制板卡；电源板卡给控制板卡供电，控制板卡采样支撑电容电压并控制全控型开关器件的通断。当功率模块内部半桥电路发生故障时，半桥电路保护性闭锁关断，通过对第三全控型开关器件的开关控制维持系统电流的导通路径，并控制模块支撑电容电压在合理范围内，电源板卡保持从支撑电容取能然后向控制板卡供电，保持整个功率模块处于可控工作状态。
本发明同时提供了上述具备自我保护功能的功率模块的控制方法，包括如下步骤：
步骤11：功率模块内部正常时，第三全控型开关器件始终处于关断状态，半桥电路进行系统能量传输；
步骤12：当某一时刻半桥电路内部的功率器件发生故障时，半桥电路要立即闭锁关断，避免故障范围扩大；
步骤13：功率模块控制回路实时采集直流支撑电容的电压值udc，与电容电压上限值udcH和电容电压下限值udcL进行比较；当udc＞udcH时，给第三全控型开关器件下发开通命令，停止向功率模块支撑电容充电；当udc＜udcL时，给第三全控型开关器件下发关断命令，系统正向电流给支撑电容充电，使模块电容电压不会进一步下降，使得功率模块控制回路的电源供电得到保证，保持整个功率模块处于可控工作状态。
当半桥电路采用具体结构为：包含第一全控型开关器件和第一反并联二极管以及第二全控型开关器件和第二反并联二极管，所述第一全控型开关器件的发射极与第二全控型开关器件的集电极相连，支撑电容的正极与第一全控型开关器件的集电极相连，支撑电容的负极与第二全控型开关器件的发射极相连，功率模块的输出端口为的发射极与的发射极。本发明的具备自我保护功能的功率模块的控制方法包括如下步骤：
步骤21：功率模块内部正常时，第三全控型开关器件始终处于关断状态，半桥电路中的全控开关器件执行交替开通关断指令，进行系统能量传输；
步骤22：当某一时刻功率模块内部发生桥式全控开关器件故障时，半桥电路要立即闭锁关断，避免故障范围扩大；
步骤23：功率模块控制回路实时采集直流支撑电容的电压值udc，与电容电压上限值udcH和电容电压下限值udcL进行比较；当udc＞udcH时，给第三全控型开关器件下发开通命令，系统正向电流流过第三全控型开关器件，反向电流流过半桥第二反并联二极管，停止向功率模块支撑电容充电，避免功率模块过压损坏；当udc＜udcL时，给第三全控型开关器件下发关断命令，系统正向电流流过半桥第一反并联二极管给支撑电容充电，使模块电容电压不会进一步下降，功率模块控制回路保持从支撑电容取能获得供电，使整个模块处于可控工作状态。
本发明的有益效果是：
(1)所述功率模块具备自我保护功能，当半桥电路的全控型开关器件发生故障保护性闭锁关断以后，可通过输出端口的并联全控型开关器件控制维持系统电流的导通路径，避免系统跳闸。
(2)所述控制方法，能够将故障模块的支撑电容电压控制在合理范围内，模块不会发生严重过压导致故障扩大也不会发生电源板卡失电，故障模块控制板卡可以正常取能而保持设定逻辑的正常执行，使故障模块与上位机保持通讯，处于可控工作状态。
附图说明
图1是本发明一种具备自我保护功能的功率模块电路示意图；
图2是本发明控制方法下正向电流流过保护型IGBT旁路工作工况示意图；
图3是本发明控制方法下反向电流流过半桥下管反并联二极管工况示意图；
图4是本发明控制方法下正向电流给模块电容充电补能工况回路示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明的一种具备自我保护功能的功率模块的具体实施例一，包括支撑电容、半桥电路，还包括第三全控型开关器件和功率模块控制回路，所述第三全控型开关器件并联在功率模块输出端口；所述功率模块控制回路在功率模块内部半桥电路发生故障时，通过对第三全控型开关器件的开关控制维持系统电流的导通路径，并控制模块支撑电容电压在合理范围内，使得功率模块控制回路的电源供电得到保证，保持整个功率模块处于可控工作状态。
其中，所述半桥电路包含第一全控型开关器件和第一反并联二极管以及第二全控型开关器件和第二反并联二极管，所述第一全控型开关器件的发射极与第二全控型开关器件的集电极相连，支撑电容的正极与第一全控型开关器件的集电极相连，支撑电容的负极与第二全控型开关器件的发射极相连，功率模块的输出端口为的发射极与的发射极。
其中，所述功率模块控制回路的电源从功率模块支撑电容高电位自取能；当支撑电容电压大于预设值时，功率模块控制回路处于工作状态。
其中，所述功率模块控制回路包含电源板卡、控制板卡；电源板卡给控制板卡供电，控制板卡采样支撑电容电压并控制全控型开关器件的通断。当功率模块内部半桥电路发生故障时，半桥电路保护性闭锁关断，通过对第三全控型开关器件的开关控制维持系统电流的导通路径，并控制模块支撑电容电压在合理范围内，电源板卡保持从支撑电容取能然后向控制板卡供电，保持整个功率模块处于可控工作状态。如图1所示，为本发明所述一种具备自我保护功能的功率模块实施例二：
所述功率模块主回路由支撑电容、半桥电路和模块输出端口并联保护型IGBT构成，所述半桥IGBT电路包含第一全控型开关器件VT1和反并联二极管VD1以及第二全控型开关器件VT2和反并联二极管VD2，所述第一全控型开关器件VT1的发射极与第二全控型开关器件VT2的集电极相连，直流支撑电容的正极与第一全控型开关器件VT1的集电极相连，直流支撑负极与第二全控型开关器件VT2的发射极相连，功率模块的输出端口为VT1的发射极与VT2的发射极，第三全控型开关器件VT3并联在功率模块输出端口作为保护型IGBT使用，所述功率模块控制回路包含电源板卡、控制板卡。电源板卡给控制板卡供电，控制板卡采样电容电压并根据设定逻辑控制IGBT的开通和关断。当功率模块内部半桥电路发生故障时，半桥电路IGBT保护性闭锁关断，通过对输出端口并联保护型IGBT的开关控制维持系统电流的导通路径，并控制模块支撑电容电压在合理范围内，电源板卡可以保持从支撑电容取能然后向控制板卡供电，使整个功率模块处于可控工作状态，从而实现功率模块内部半桥电路发生故障时模块的自我保护。
所述输出端口并联保护型器件VT3为全控型半导体功率器件IGBT。
所述电源板卡为从功率模块支撑电容高电位自取能。当直流支撑电容电压大于某一数值时，电源板启动工作，为控制板卡供电；当直流支撑电容电压小于某一数值时，电源板卡停止工作，无法为控制板卡供电。
所述控制板卡具备与上位机通讯功能，能够控制半桥电路IGBT和输出端口并联保护型IGBT的导通与关断，能够对IGBT的运行状态进行实时监测和保护，能够实时采集直流支撑电容的电压值udc。
本发明的具备自我保护功能的功率模块的控制方法的一个具体实施例，包括如下步骤：
S11：功率模块内部正常时，第三全控型开关器件始终处于关断状态，半桥电路进行系统能量传输；
S12：当某一时刻半桥电路内部的功率器件发生故障时，半桥电路要立即闭锁关断，避免故障范围扩大；
S13：功率模块控制回路实时采集直流支撑电容的电压值udc，与电容电压上限值udcH和电容电压下限值udcL进行比较；当udc＞udcH时，给第三全控型开关器件下发开通命令，停止向功率模块支撑电容充电；当udc＜udcL时，给第三全控型开关器件下发关断命令，系统正向电流给支撑电容充电，使模块电容电压不会进一步下降，使得功率模块控制回路的电源供电得到保证，保持整个功率模块处于可控工作状态。
结合图1介绍本发明具备自我保护功能的功率模块的控制方法的另一个实施例，具体步骤如下：
S21：功率模块内部正常时，输出端口并联保护型IGBT开关器件VT3始终处于关断状态，半桥电路IGBT执行交替开通关断指令，进行系统能量传输；
S22：当某一时刻功率模块内部发生桥式IGBT故障时，桥式IGBT要立即闭锁关2断，避免故障范围扩大；
S23：控制板卡实时采集直流支撑电容的电压值udc，与电容电压上限值udcH和电容电压下限值udcL进行比较。当udc＞udcH时，给出口并联保护型IGBT开关器件VT3下发开通命令，使功率模块工作在旁路工况，如图2所示系统正向电流流过VT3，如图3所示反向电流流过半桥下管反并联二极管VD2，旁路工况下停止向功率模块支撑电容充电，避免功率模块过压损坏；当udc＜udcL时，给出口并联保护型IGBT开关器件VT3下发关断命令，如图4所示系统正向电流流过半桥上管二极管VD1给支撑电容充电，使模块电容电压不会进一步下降，反向电流依然会流过半桥下管反并联二极管VD2，电源板卡可以保持从支撑电容取能然后向控制板卡供电，使整个模块处于可控工作状态。
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。