电力电子功率模块的驱动控制系统及其取能电源 |
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| 申请号 | CN201710687309.6 | 申请日 | 2017-08-08 | 公开(公告)号 | CN107317467A | 公开(公告)日 | 2017-11-03 |
| 申请人 | 北京金风科创风电设备有限公司; | 发明人 | 孟昭鹤; 张群; 高绪华; 王国梁; 马永述; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种电 力 电子 功率模 块 的驱动控制系统及其取能电源，所述取能电源包括 开关 电源和 母线 电压 采样 装置， 开关电源 用于从母线获取第一电压 信号 ，将获取的第一电压信号转换为第二电压信号，并且将所述第二电压信号输出给所述电力电子功率模块的驱动装置和所述母线电压采样装置；所述母线电压采样装置用于采集所述母线的电压信号，将采集的电压信号转换为方波信号，并将所述方波 信号传输 给所述驱动装置。根据本发明的 实施例 的电力电子功率模块的驱动控制系统及其取能电源，可减少 电路 板占用的空间，以及节省母线到母线电压采样板的配线，并且将采集的电压信号转换为方波信号，温漂小，采样 精度 较高，性价比高。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电力电子功率模块的取能电源，其特征在于，包括开关电源和母线电压采样装置，其中， |
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| 说明书全文 | 电力电子功率模块的驱动控制系统及其取能电源技术领域[0001] 本发明涉及电力电子技术领域。更具体地讲，涉及一种电力电子功率模块的驱动控制系统及其取能电源。 背景技术[0002] 现有技术中，对于大功率电力电子模块，如静止无功发生器(Static Var Generator，SVG)、风电变流器、模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)等，其功率模块的主要包括由绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)组成的半桥、两相全桥或三相全桥，并配有母线支撑电容。功率模块的控制系统包括：开关电源、电压采样板、驱动装置及主控制器。开关电源从功率模块的母线上取电，将高压电转换成低压电给驱动装置供电，驱动装置负责接收主控制器的命令，给功率模块发送控制命令，同时将模块信息上传给主控制器。电压采样板对母线电压进行采样，并将采样信号传送给驱动控制板。 [0003] 目前电压采样板从母线引入配线用于电压采样，直接将电压采样结果输出给驱动装置，采集精度不高。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种包括电压采样功能的电力电子功率模块的驱动控制系统及其取能电源，以提高采样精度。 [0005] 本发明提供一种电力电子功率模块的取能电源，所述取能电源包括开关电源和母线电压采样装置，其中，所述开关电源，用于从母线获取第一电压信号，将获取的第一电压信号转换为第二电压信号，并且将所述第二电压信号输出给所述电力电子功率模块的驱动装置和所述母线电压采样装置，所述第一电压信号的值大于第二电压信号的值；所述母线电压采样装置，用于采集所述母线的电压信号，将采集的电压信号转换为方波信号，并将所述方波信号传输给所述驱动装置，所述方波信号用于所述驱动装置确定所述母线的电压值。 [0006] 可选地，所述母线电压采样装置包括压频转换电路。 [0008] 可选地，所述开关电源和所述母线电压采样装置集成设置在同一块电路板上。 [0009] 可选地，还包括外部输入端，所述外部输入端与所述母线连接，所述开关电源以及所述母线电压采样装置通过所述外部输入端与所述母线连接。 [0010] 可选地，所述第二电压信号包括第三电压信号和第四电压信号，所述第三电压信号用于为所述驱动装置供电，所述第四电压信号用于为所述母线电压采样装置供电，所述第三电压信号的值大于所述第四电压信号的值。 [0011] 可选地，所述开关电源包括DC/DC转换器，并且所述开关电源从母线获取的第一电压信号是直流电；或者，所述开关电源包括AC/DC转换器，并且所述开关电源从母线获取的第一电压信号是交流电。 [0012] 本发明的另一方面提供一种电力电子功率模块的驱动装置，所述驱动装置与上述的取能电源连接，所述驱动装置包括：电源单元，用于接收所述取能电源中开关电源输出的所述第二电压信号；信号输入单元，用于接收所述取能电源中母线电压采样装置输出的方波信号；处理单元，用于根据所述信号输入单元接收的方波信号的频率计算所述母线的电压值。 [0013] 本发明的另一方面提供一种电力电子功率模块的驱动控制系统，该驱动控制系统包括如上所述的取能电源以及如上所述的驱动装置，所述取能电源与所述驱动装置连接。 [0014] 本发明的另一方面提供一种变流器功率模块的驱动控制系统，所述驱动控制系统包括如上所述的取能电源以及如上所述的驱动装置，所述取能电源与所述变流器功率模块的直流母线及所述驱动装置连接，所述驱动装置与所述变流器功率模块连接。 [0015] 根据本发明的实施例的电力电子功率模块的驱动控制系统及其取能电源可减少电路板占用的空间，以及节省母线到母线电压采样板的配线，并且将采集的电压信号转换为方波信号，温漂小，采样精度较高，性价比高。 [0017] 通过下面结合附图进行的详细描述，其中： [0018] 图1是示出根据本发明的实施例的电力电子功率模块的驱动控制系统的结构框图； [0019] 图2是示出根据本发明的实施例的取能电源的结构框图。 具体实施方式[0020] 下面参照附图详细描述本发明的实施例。 [0021] 图1是示出根据本发明的实施例的电力电子功率模块的驱动控制系统的结构框图。根据本发明的实施例的电力电子功率模块可以是各种大功率电力电子器件(例如SVG、变流器、MMC等)的功率模块。 [0022] 根据本发明的实施例的电力电子功率模块的驱动控制系统可包括取能电源20和驱动装置30。取能电源20与所述驱动装置连接30连接。驱动装置 30与电力电子功率模块(即IGBT模块10)连接。在上述电力电子功率模块是变流器功率模块的情况下，变流器功率模块的驱动控制系统包括取能电源 10和驱动装置30，取能电源20与变流器功率模块的直流母线及驱动装置30 连接，驱动装置30与变流器功率模块(即IGBT模块10)连接。 [0023] 具体说来，取能电源20包括开关电源21和母线电压采样装置22。 [0024] 开关电源21用于从IGBT模块10后端的母线获取第一电压信号，将获取的第一电压信号转换为第二电压信号，并且将第二电压信号输出给驱动装置30和母线电压采样装置22，以给驱动装置30和母线电压采样装置22提供电源。 [0025] 具体说来，开关电源21的输入端与母线连接从而从母线获取第一电压信号。开关电源21的多个输出端分别与驱动装置30的电源输入端以及母线电压采样装置22的电源输入端连接，从而向驱动装置30和母线电压采样装置22供电。 [0026] 此外，由于驱动装置30和母线电压采样装置22的供电电压可能不同，因此，所述第二电压信号包括第三电压信号和第四电压信号，所述第三电压信号用于为所述驱动装置供电，所述第四电压信号用于为所述母线电压采样装置供电，所述第三电压信号的值大于所述第四电压信号的值。也就是说，在驱动装置30和母线电压采样装置22的供电电压不同的情况下，开关电源 21将获取的第一电压信号转换为电压不同的第三电压信号和第四电压信号，以向供电电压不同的驱动装置30和母线电压采样装置22供电。 [0027] 母线电压采样装置22采集母线的电压信号，将采集的电压信号转换为方波信号，并将方波信号传输给驱动装置30，所述方波信号用于驱动装置30 确定母线的电压值，从而驱动装置30可根据母线的电压值驱动IGBT模块10。由于方波信号的频率与母线的电压值成正比，驱动装置30可通过测量方波信号的频率，来确定母线的电压值。 [0028] 具体说来，由于开关电源21的输入端与母线进行了连接，因此，母线电压采样装置22的输入端可通过与母线连接的开关电源21的输入端连接来采集母线的电压信号。此外，取能电源20还可设置连接到母线的外部输入端，开关电源21以及母线电压采样装置22可通过外部输入端来与母线连接。也就是说，开关电源21的输入端以及母线电压采样装置22的输入端与取能电源20的外部输入端。这样，母线电压采样装置22可通过与开关电源21的输入端或取能电源20的外部输入端连接来获取母线的电压信号，省去了母线到母线电压采样装置22的配线，简化了系统配线。 [0029] 母线电压采样装置22通过信号输出端将方波信号传输至驱动装置30，从而驱动装置30根据方波信号确定母线的电压值。 [0030] 由于开关电源21和母线电压采样装置22被设置在取能电源20中，开关电源21和母线电压采样装置22可被集成在同一块电路板上，与现有技术中母线电压采样装置22需要单独占用一块电路板相比，减少了电路板占用的空间，并且母线电压采样装置22可通过与开关电源21的输入端或取能电源20 的外部输入端连接来获取母线的电压信号，省去了母线到母线电压采样装置 22的配线，简化了系统配线。 [0031] 此外，母线电压采样装置22将采集的电压信号转换为方波信号，而方波信号是数字量，相比于现有技术中的将电压信号转换为模拟信号采样方式(例如，霍尔采样、线性光耦采样和电源辅助绕组采样)，温漂小，采集精度高，性价比高，并且可采用光纤进行远距离传输。并且由于向驱动装置30发送的方波信号是数字量，可以节省驱动装置30中的一路模拟量转数字量的通道。 [0032] 母线电压采样装置22可通过各种方式来将电压信号转换为方波信号。优选地，为了提高采样精度以及降低采用成本，母线电压采样装置22可通过压频转换的方式来将电压信号转换为方波信号。相应地，母线电压采样装置22 可包括压频转换电路。压频转换电路可包括输出方波信号的压频转换器以及采样电阻。 [0033] 采样电阻包括串联连接的第一采样电阻器和第二采样电阻器，采样电阻的两端分别连接到母线的正负极，压频转换器的信号输入端连接到第一采样电阻器和第二采样电阻器之间的节点。这样，压频转换器采集的电压是第二采样电阻器两端的电压，第一采样电阻可对母线的高电压进行分压，也就是说降低了压频转换器的输入端接收的电压信号的电压，可保证器件的安全。相应地，驱动装置30在确定母线的电压值时还需要考虑第二采样电阻对的母线的高压的分压情况，具体的计算方法可参照下述的等式(1)。 [0034] 此外，压频转换器的其他端口还需要连接一些外围器件，其具体的连接关系与压频转换器的型号有关，下文中将以AD654芯片为例进行说明。 [0035] 在驱动装置30与母线电压采样装置22之间的距离较远的情况下，为了实现远距离传输，母线电压采样装置22还可包括光电转换器，光电转换器将压频转换电路输出的方波信号由电信号转换为光信号，并通过光纤将转换得到的光信号输出到驱动装置30。 [0036] 以下将参照图2来描述母线电压采样装置22的具体结构。 [0037] 图2是示出根据本发明的实施例的取能电源的结构框图。压频转换器可以是各种可将电压信号转换为频率信号(即方波信号)的芯片，图2中以 AD654芯片为例来描述压频转换器与其他器件之间的连接关系。 [0038] 如图2所示，开关电源21将从母线获取的第一电压信号转换为电压(例如24V、15V、5V)不同的第二电压信号，并且将通过转换得到的多种第二电压信号分别提供给其他器件供电，例如，将24V的低压直流电提供给驱动装置30供电，将15V的低压直流电提供给压频转换器(AD654芯片)221 的电源输入端8，将5V的低压直流电提供给光电转换器222供电。 [0039] 第一采样电阻器R1的一端与母线的正极连接，另一端与第二电阻器R2 的一端连接，第二电阻器R2的另一端与母线的负极连接，AD654芯片221 的信号输入端4与第一采样电阻器R1和第二电阻器R2之间的节点连接。节点与地之间连接有滤波电容器C1。第一采样电阻器R1可以是兆欧级的电阻器，第二电阻器R2可以是千欧级的电阻器。 [0040] AD654芯片221的逻辑地端2以及接地端5均与母线的负极连接。 [0041] AD654芯片221的定时电阻引脚端3与定时电阻器R4的一端连接，定时电阻器R4的另一端与母线的负极连接。定时电阻器R4可以是千欧级的电阻器。 [0042] AD654芯片221的两个定时电容引脚端6和7之间连接定时电容器C2。定时电容器C2可以是纳法级的电容器。 [0043] AD654芯片221的信号输出端1与上拉电阻器R3的一端以及光电转换器222的信号输入端连接，上拉电阻器R3的另一端与开关电源21的输出5V 的低压直流电的端口连接。光电转换器222将AD654芯片221输出的方波信号由电信号转换为光信号，并将转换得到的光信号发送到驱动装置30。上拉电阻器R3是一千欧左右的电阻器。 [0044] 驱动装置30根据接收到的光信号确定方波信号的频率，并根据频率来确定母线的电压值。 [0045] 驱动装置30可通过以下等式(1)来根据方波信号的频率f确定母线的电压值U。 [0046] [0047] 可以理解，根据本发明的实施例的母线电压采样装置的具体结构不限于图2中所示的具体结构，例如，压频转换器还可以是其他型号的芯片，压频转换器的各端口以及与其他器件的连接关系还可以是其他的形式。此外，确定母线的电压值的方法不限于等式(1)的方式，还可以通过其他方式来确定母线的电压值。 [0048] 此外，根据本发明的实施例的取能电源可以采集直流电压，也可以采集交流电压。也就是说，上述母线的第一电压信号可以是直流电，开关电源21 从母线获取直流电。在这种情况下，开关电源21可包括DC/DC转换器，以将较高电压的直流电转换为较低电压的直流电。上述母线的第一电压信号还可以是交流电，开关电源21从母线获取交流电。在这种情况下，开关电源 21可包括AC/DC转换器，以将较高电压的交流电转换为较低电压的直流电。 [0049] 本发明的实施例还提供一种电力电子功率模块的驱动装置。该驱动装置与上述的取能电源连接。所述驱动装置包括电源单元、信号输入单元和处理单元。电源单元用于接收取能电源中开关电源输出的第二电压信号。信号输入单元用于接收取能电源中母线电压采样装置输出的方波信号。处理单元用于根据信号输入单元接收的方波信号的频率计算母线的电压值。 [0050] 根据本发明的实施例的电力电子功率模块的驱动控制系统及其取能电源可减少电路板占用的空间，以及节省母线到母线电压采样板的配线，并且将采集的电压信号转换为方波信号，温漂小，采样精度较高，性价比高。 |
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