模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路保护电路和方法与流程

1.本技术涉及柔性直流输电技术领域，具体而言，涉及一种模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路保护电路和方法。

背景技术：

2.模块化多电平技术凭借其开关频率低、损耗小、控制灵活、易于模块化等优点，在柔性交直流输电、无功补偿、直流配电网等领域得到广泛的应用。
3.模块化多电平换流器通常由成百上千个功率模块串联构成，因此，单个功率模块的可靠性影响系统的稳定运行。当取能电源或者控制板卡故障，功率模块进入不可控状态，持续的桥臂电流会使直流电容电压不断上升，超出电容耐受范围，可能导致电容出现绝缘击穿、内部汽化等，引发爆炸，造成连锁反应，危及周围功率模块，威胁系统运行。
4.因此，功率模块的故障旁路技术成为行业内重要研究内容，功率模块配置旁路开关成为提升可靠性的首选措施。“cn110739837a一种采用双旁路开关的mmc功率模块及过压三旁路方法”中，通过冗余旁路开关的方法以进一步提高功率模块的可靠性。旁路开关的可靠合闸依赖取能电源、控制板卡等诸多关键因素，因此冗余取能电源、控制板卡也成为各阀厂的技术方案，但旁路开关的机构拒动仍然不可避免。“cn110829811a一种mmc功率模块过压保护电路及多级旁路方法”中，在交流侧引入旁路晶闸管，通过功率模块过压击穿晶闸管实现功率模块旁路。但是旁路晶闸管的击穿电压不稳定，击穿电压较高，击穿时仍然会产生很大的冲击，对周围设备造成威胁，且价格高昂。
5.因此，需要一种模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路保护电路和方法，解决功率模块故障、旁路开关拒动，同时避免旁路晶闸管的引入带来的旁路电压过高冲击周围设备以及成本激增的问题。
6.在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本技术的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现要素：

7.本技术旨在提供一种模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路保护电路和方法，解决功率模块故障、旁路开关拒动，同时避免旁路晶闸管的引入带来的旁路电压过高冲击周围设备以及成本激增的问题。
8.根据本技术的第一方面，提出一种主动击穿旁路模块，包括控制单元、取能单元和击穿触发单元，所述控制单元包括电连接的电压采样电路和旁路使能判断电路，所述旁路使能判断电路与所述击穿触发单元连接，其中：
9.所述取能单元用于从直流电容取能，给所述控制单元和所述击穿触发单元供电；
10.所述电压采样电路用于获取所述直流电容的电压，传递给所述旁路使能判断电路；
11.所述旁路使能判断电路用于判断控制板卡是否故障；在所述控制板卡故障的情况
下，根据所述直流电容的电压输出控制信号，控制所述击穿触发单元输出击穿脉冲至功率半导体单元，实现子模块击穿旁路保护。
12.根据一些实施例，所述旁路使能判断电路包括控制板卡故障检测电路，用于检测控制板卡是否故障。
13.根据一些实施例，所述旁路使能判断电路包括旁路开关位置检测电路，用于在所述直流电容的电压不高于严重过压门槛的情况下，延时第一时间，检测旁路开关是否合位。
14.根据一些实施例，所述旁路使能判断电路还包括直流电容过压比较电路，用于判断所述直流电容的电压是否高于所述严重过压门槛，和/或
15.在所述旁路开关未合位的情况下，延时第二时间，判断所述直流电容的电压变化量是否大于第一阈值。
16.根据一些实施例，所述旁路使能判断电路用于：在所述直流电容的电压高于所述严重过压门槛，或者在所述直流电容的电压变化量大于所述第一阈值的情况下，输出所述控制信号，触发所述击穿触发单元输出脉冲，以控制所述功率半导体单元导通，且实现所述直流电容通过所述功率半导体单元直通放电。
17.根据一些实施例，所述旁路使能判断电路还用于：在所述直流电容的电压变化量不大于所述第一阈值的情况，确定所述旁路开关的位置接点失效。
18.根据本技术的第二方面，提出一种模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路保护电路，包括：控制板卡、直流电容、旁路开关、功率半导体单元和如第一方面中任一项所述的主动击穿旁路模块。
19.根据一些实施例，还包括电源板卡，用于给所述旁路开关和所述控制板卡供电。
20.根据一些实施例，所述功率半导体单元包括两个功率半导体器件的半桥连接单元；或者四个功率半导体器件的全桥连接单元。
21.根据本技术的第三方面，提出一种用于如第二方面中任一项所述的模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路保护电路的方法，所述方法用于所述主动击穿旁路模块，包括：
22.检测所述控制板卡是否故障；
23.响应于所述控制板卡故障，判断所述直流电容的电压是否高于严重过压门槛；
24.响应于所述直流电容的电压高于所述严重过压门槛，所述主动击穿旁路模块动作，实现子模块击穿旁路保护。
25.根据一些实施例，还包括：
26.响应于所述直流电容的电压不高于所述严重过压门槛，延时第一时间，判断所述旁路开关是否合位；
27.响应于所述旁路开关未合位，延时第二时间，判断所述直流电容的电压变化量是否大于第一阈值；
28.响应于所述直流电容的电压变化量大于所述第一阈值，所述主动击穿旁路模块动作，实现子模块击穿旁路保护。
29.根据一些实施例，还包括：
30.响应于所述直流电容的电压变化量不大于所述第一阈值，确定所述旁路开关的位置接点失效。
31.本技术提出一种模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路保护电路及方法，在控
制板卡故障以及旁路开关拒动的工况下，仍能实现子模块的可靠旁路，避免了故障扩大甚至系统停运，提升了系统的可靠性。
32.本技术提出一种模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路保护电路及方法，根据故障工况，降低击穿旁路电压，可以避免旁路电压过高，旁路时冲击周围设备；避免旁路晶闸管的引入带来的旁路电压离散性大、旁路电压过高，冲击周围设备以及成本激增的问题。
33.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本技术。
附图说明
34.通过参照附图详细描述其示例实施例，本技术的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例，而不是对本技术的限制。
35.图1示出一示例性实施例的模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路保护电路框图；
36.图2a示出一示例性实施例的模块化多电平换流器子模块的功率半导体单元电路图；
37.图2b示出示例性模块化多电平换流器子模块的功率半导体单元电路图的又一实施例；
38.图3示出一示例性实施例的模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路方法流程图；
39.图4示出一示例性实施例的旁路使能判断电路框图。
具体实施方式
40.现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本技术将全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
41.所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有这些特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方式、组元、材料、装置等。在这些情况下，将不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作。
42.附图中所示的流程图仅是示例性说明，不是必须包括所有的内容和操作/步骤，也不是必须按所描述的顺序执行。例如，有的操作/步骤还可以分解，而有的操作/步骤可以合并或部分合并，因此实际执行的顺序有可能根据实际情况改变。
43.本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。
44.本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本技术所必须的，因此不能用于限制本技术的保护范围。
45.图1示出一示例性实施例的模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路保护电路框图。
46.如图1所示，模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路保护电路包括：功率半导体单元101、直流电容103、旁路开关107、控制板卡(图1中未示出)、电源板卡(图1中未示出)、主动击穿旁路模块105；其中，主动击穿旁路模块105包括取能单元1053、控制单元1051和击穿触发单元1055；其中，控制单元1051包括电压采样电路10511和旁路使能判断电路10513。
47.根据示例实施例，旁路使能判断电路10513与击穿触发单元1055相连，击穿触发单元1055输出与功率半导体单元101的栅源极相连：在直流电容103的电压高于严重过压门槛，或者在直流电容103的电压变化量大于第一阈值的情况下，旁路使能判断电路10513输出所述控制信号，触发击穿触发单元1055输出击穿脉冲至功率半导体单元101，控制功率半导体单元101导通。
48.根据示例实施例，取能单元1053与直流电容103连接，用于从直流电容103取电，供给控制单元1051和击穿触发单元1055。
49.根据示例实施例，电压采样电路10511与直流电容103连接，用于获取直流电容103的电容电压，并提供给旁路使能判断电路10513。
50.根据一些实施例，控制板卡用于控制旁路开关107和功率半导体单元101的导通和关断；电源板卡用于给旁路开关107和控制板卡供电。
51.根据一些实施例，功率半导体单元101包括两个功率半导体器件的半桥连接单元，如图2a所示；或者功率半导体单元101包括四个功率半导体器件的全桥连接单元，如图2b所示。
52.根据示例实施例，如图4所示，旁路使能判断电路10513包括直流电容过压比较电路401、旁路开关位置检测电路403、控制板卡故障检测电路405，其中：控制板卡故障检测电路405用于检测控制板卡是否故障；直流电容过压比较电路401用于根据电压采样电路10511获取的直流电容103的电压判断直流电容103电压是否高于严重过压门槛，和在旁路开关107未合位的情况下，延时第二时间，判断直流电容103电压的变化量是否大于第一阈值；旁路开关位置检测电路403用于在直流电容103的电压不高于严重过压门槛的情况下，延时第一时间，检测旁路开关107是否合位。
53.根据示例实施例，在直流电容103的电压变化量不大于所述第一阈值的情况，主动击穿旁路模块105确定旁路开关107的位置接点失效。
54.图3示出一示例性实施例的模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路方法流程图。
55.s301，判断控制板卡是否故障。
56.根据示例实施例，当主动击穿旁路模块105的控制单元1051中旁路使能判断电路10513检测到控制板卡故障时，转到s302。
57.s302，判断直流电容电压是否高于严重过压门槛。
58.根据示例实施例，控制单元1051中电压采样电路10511获取直流电容103的电压，旁路使能判断电路10513的直流电容过压比较电路401判断直流电容电压高于严重过压门
槛v1。若直流电容103的电压高于严重过压门槛v1，则转到s307；若直流电容103的电压低于严重过压门槛v1，则转到s303。
59.s303，延时第一时间。
60.根据示例实施例，当直流电容103的电压低于严重过压门槛v1，延时第一时间td1，并转到s304。
61.s304，判断旁路开关是否合位。
62.根据示例实施例，延时第一时间td1后，旁路使能判断电路10513的旁路开关位置检测电路403检测旁路开关是否合位：若旁路开关107合位，则转到s309；若旁路开关107未合位，则转到s305。
63.s305，延时第二时间。
64.根据示例实施例，若旁路开关107未合位，则延时第二时间td2，并转到s306。
65.s306，判断直流电容电压的变化量是否大于第一阈值。
66.根据示例实施例，经过延时第二时间td2后，控制单元1051中电压采样电路10511获取直流电容103的电压，旁路使能判断电路10513的直流电容过压比较电路401检测直流电容103的电压变化量，判断电压变化量是否大于第一阈值δv：若大于第一阈值δv，则转到s307；若不大于第一阈值δv，则转到s310。
67.s307，主动击穿旁路模块动作。
68.根据示例实施例，若直流电容103的电压变化量大于第一阈值δv；或者直流电容103的电压高于严重过压门槛v1，控制单元1051的旁路使能判断电路10513判断击穿旁路保护电路满足主动旁路条件，触发击穿触发单元1055输出脉冲，使功率半导体单元101导通。
69.s308，子模块成功旁路。
70.根据示例实施例，触发击穿触发单元1055输出脉冲，使功率半导体单元101导通，直流电容103通过功率半导体单元101直通放电，功率半导体单元101击穿失效，功率半导体单元101短路，成功旁路子模块。
71.s309，子模块旁路成功。
72.根据示例实施例，若旁路开关位置检测电路403检测旁路开关107合位，则子模块成功旁路。
73.s310，旁路开关位置接点失效，子模块旁路成功。
74.根据示例实施例，若直流电容过压比较电路401检测到直流电容103的电压变化量不大于第一阈值δv，则证明旁路开关107的位置接点失效，但是已经成功合位，子模块旁路成功。
75.本技术提出一种模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路保护电路及方法，在控制板卡故障以及旁路开关拒动的工况下，仍能实现子模块的可靠旁路，避免了故障扩大甚至系统停运，提升了系统的可靠性。
76.本技术提出一种模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路保护电路及方法，根据故障工况，降低击穿旁路电压，可以避免旁路电压过高，旁路时冲击周围设备；避免旁路晶闸管的引入带来的旁路电压离散性大、旁路电压过高，冲击周围设备以及成本激增的问题。
77.应清楚地理解，本技术描述了如何形成和使用特定示例，但本技术不限于这些示例的任何细节。相反，基于本技术公开的内容的教导，这些原理能够应用于许多其它实施
例。
78.此外，需要注意的是，上述附图仅是根据本技术示例性实施例的方法所包括的处理的示意性说明，而不是限制目的。易于理解，上述附图所示的处理并不表明或限制这些处理的时间顺序。另外，也易于理解，这些处理可以是例如在多个模块中同步或异步执行的。
79.以上具体地示出和描述了本技术的示例性实施例。应可理解的是，本技术不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本技术意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。

技术特征：

1.一种主动击穿旁路模块，其特征在于，包括控制单元、取能单元和击穿触发单元，所述控制单元包括电连接的电压采样电路和旁路使能判断电路，所述旁路使能判断电路与所述击穿触发单元连接，其中：所述取能单元用于从直流电容取能，给所述控制单元和所述击穿触发单元供电；所述电压采样电路用于获取所述直流电容的电压，传递给所述旁路使能判断电路；所述旁路使能判断电路用于判断控制板卡是否故障；在所述控制板卡故障的情况下，根据所述直流电容的电压输出控制信号，控制所述击穿触发单元输出击穿脉冲至功率半导体单元，实现子模块击穿旁路保护。2.如权利要求1所述的主动击穿旁路模块，其特征在于，所述旁路使能判断电路包括控制板卡故障检测电路，用于检测控制板卡是否故障。3.如权利要求1所述的主动击穿旁路模块，其特征在于，所述旁路使能判断电路包括旁路开关位置检测电路，用于在所述直流电容的电压不高于严重过压门槛的情况下，延时第一时间，检测旁路开关是否合位。4.如权利要求3所述的主动击穿旁路模块，其特征在于，所述旁路使能判断电路还包括直流电容过压比较电路，用于判断所述直流电容的电压是否高于所述严重过压门槛，和/或在所述旁路开关未合位的情况下，延时第二时间，判断所述直流电容的电压变化量是否大于第一阈值。5.如权利要求4所述的主动击穿旁路模块，其特征在于，所述旁路使能判断电路用于：在所述直流电容的电压高于所述严重过压门槛，或者在所述直流电容的电压变化量大于所述第一阈值的情况下，输出所述控制信号，触发所述击穿触发单元输出脉冲，以控制所述功率半导体单元导通，且实现所述直流电容通过所述功率半导体单元直通放电。6.如权利要求4所述的主动击穿旁路模块，其特征在于，所述旁路使能判断电路还用于：在所述直流电容的电压变化量不大于所述第一阈值的情况，确定所述旁路开关的位置接点失效。7.一种模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路保护电路，其特征在于，包括：控制板卡、直流电容、旁路开关、功率半导体单元和如权利要求1-6中任一项所述的主动击穿旁路模块。8.如权利要求7所述的子模块主动击穿旁路保护电路，其特征在于，还包括电源板卡，用于给所述旁路开关和所述控制板卡供电。9.如权利要求7所述的子模块主动击穿旁路保护电路，其特征在于，所述功率半导体单元包括两个功率半导体器件的半桥连接单元；或者四个功率半导体器件的全桥连接单元。10.一种用于如权利要求7-9任一项所述的模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路保护电路的方法，其特征在于，所述方法用于所述主动击穿旁路模块，包括：检测所述控制板卡是否故障；响应于所述控制板卡故障，判断所述直流电容的电压是否高于严重过压门槛；响应于所述直流电容的电压高于所述严重过压门槛，所述主动击穿旁路模块动作，实现子模块击穿旁路保护。11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括：响应于所述直流电容的电压不高于所述严重过压门槛，延时第一时间，判断所述旁路
开关是否合位；响应于所述旁路开关未合位，延时第二时间，判断所述直流电容的电压变化量是否大于第一阈值；响应于所述直流电容的电压变化量大于所述第一阈值，所述主动击穿旁路模块动作，实现子模块击穿旁路保护。12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：响应于所述直流电容的电压变化量不大于所述第一阈值，确定所述旁路开关的位置接点失效。

技术总结

本申请提供一种模块化多电平换流器子模块主动击穿旁路保护电路和方法。主动击穿旁路模块包括控制单元、取能单元和击穿触发单元，所述控制单元包括电连接的电压采样电路和旁路使能判断电路，所述旁路使能判断电路与所述击穿触发单元连接，其中：所述取能单元用于从直流电容取能，给所述控制单元和所述击穿触发单元供电；所述电压采样电路用于获取所述直流电容的电压，传递给所述旁路使能判断电路；所述旁路使能判断电路用于判断控制板卡是否故障；在所述控制板卡故障的情况下，根据所述直流电容的电压输出控制信号，控制所述击穿触发单元输出击穿脉冲至功率半导体单元，实现子模块击穿旁路保护。块击穿旁路保护。块击穿旁路保护。