CN105242149A - 具有电感电压状态检测的igct相模块电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有故障检测功能的IGCT相模块电路，其包括：IGCT功率单元相桥臂电路，其包括IGCT功率器件和与功率器件反向并联的换流二极管；电感，其串联在相桥臂电路上，用以限制桥臂电路中的IGCT功率器件开通时的电流变化速度；箝位吸收电路，其连接在电感两端，用以吸收桥臂电路中的IGCT功率器件关断时产生的过电压，以及故障检测单元，其与电感磁耦合，用以检测电感上的电压、相电流方向，并基于功率器件的开关动作、电感上的电压方向和相电流方向对故障位置进行逻辑判断。本发明可以对二极管进行故障的实时检测，及时发现并准确定位，从而解决了不可控元件故障不能实时检测的问题。

Description

具有电感电压状态检测的IGCT相模块电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术，具体说涉及具有电感电压状态检测的IGCT相模块电路。

背景技术

IGCT变频器中，系统对IGCT的故障状态的检测通常通过IGCT驱动的反馈光纤信号进行，但由于门驱检测到GCT的故障有时可能需要很长时间，达到毫秒级，这种方法不能保证系统能够100％将所有的故障都及时检测到。如果器件发生故障没能快速准确检测并保护，则将对系统产生更大的损坏。

电压型变频器中，功率开关器件都有一个反并联二极管，IGCT电压型变频器也是如此。由于二极管是一种不可控元件，在工作过程中发生失效，二极管自身没有故障状态输出，而只能依靠系统故障的进一步扩大发展成其他故障而进行系统保护，这将可能导致系统出现严重损坏。甚至可能故障后失效二极管仍然没被检查出来，从而造成系统二次故障。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于检测功率半导体器件的方法和装置。

为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：

根据本发明的一个方面，提供了一种具有故障检测功能的IGCT相模块电路，其包括：

IGCT功率单元相桥臂电路，其包括IGCT功率器件和与所述功率器件反向并联的换流二极管；

电感，其串联在所述相桥臂电路上，用以限制所述桥臂电路中的IGCT功率器件开通时的电流变化速度；

箝位吸收电路，其连接在所述电感两端，用以吸收所述桥臂电路中的IGCT功率器件关断时产生的过电压，以及

故障检测单元，其与所述电感磁耦合，用以检测所述电感上的电压、相电流方向，并基于所述功率器件的开关动作、所述电感上的电压方向和所述相电流方向对故障位置进行逻辑判断。

根据本发明的一个实施例，所述故障检测单元包括：

电流传感器，用以检测相桥臂电流方向；

反并联连接在所述电流传感器两端的发光二极管；

分别与所述发光二极管串联的电阻和稳压管以及二极管；

判断模块，其基于所述功率器件的开关动作、所述电感上的电压方向和所述相电流方向对故障位置进行逻辑判断。

根据本发明的一个实施例，所述判断模块在判断出相电流为流出时，进行第一功率器件的开关动作的判断，如果第一功率器件为开通并且第一发光二极管发光，且发光时间不大于最大正常换流时间，则第二换流二极管处于正常状态，否则，所述第二换流二极管失效。

根据本发明的一个实施例，如果第一功率器件为关断，并且第一发光二极管发光，则第一功率器件处于正常状态，否则，第一功率器件失效。

根据本发明的一个实施例，所述判断模块在判断出相电流为流入时，进行第二功率器件的开关动作的判断，如果第二功率器件为开通并且第二发光二极管发光，且发光时间不大于最大正常换流时间，则第一换流二极管处于正常状态，否则，所述第一换流二极管失效。

根据本发明的一个实施例，如果第二功率器件为关断并且第二发光二极管发光，则第二功率器件处于正常状态，否则，所述第二功率器件失效。

根据本发明的一个实施例，所述故障检测单元还包括并联在所述稳压管和所述发光二极管上的电阻。

本发明的有益效果：

本发明通过引入电感电压状态信号、相桥臂开关脉冲动作以及电流方向信号实现功率器件IGCT及快速恢复二极管FRD的故障检测功能，能够避免由于IGCT状态反馈信号不及时导致IGCT故障不能及时检测而引起的故障扩大情况。同时，本发明还能够对不可控元件二极管进行故障的实时检测，及时发现二极管的失效并准确定位，从而解决了不可控元件故障不能实时检测的问题。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1为本发明的IGCT相模块电路拓扑结构图；

图2为根据本发明的一个实施例的用于IGCT相模块电路的故障检测单元电路图；

图3和图4显示了IGCT相模块电路中的电感上的电压波形；以及

图5为根据本发明的实施例的用于实现IGCT相模块电路中故障元件的定位。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

IGCT，即集成门极换流晶闸管，其是一种应用于电力变换的大功率半导体开关器件。由于IGCT具有导通电流大、通态压降低以及快速关断的特点，因此它是当前制造中高压大功率变频器的主要功率开关器件。

在电压型变频器中，开关器件都会有一个反并联二极管，对于电压型IGCT变频器，也一样会设置一个反并联二极管。

与IGCT配套使用的快恢复二极管FRD的反向恢复电流变化速度di/dt的承受能力通常都小于IGCT自身开通时的电流变化速度di/dt的承受能力。因此在IGCT器件应用中在功率单元相桥臂会配置一个限制IGCT开通时电流变化速度的电感。该电流变化速度对应于同一时刻上换流二极管FRD的反向恢复电流变化速度。由于在IGCT关断时，电感的电流不能突变，否则将产生非常高的瞬时过电压损坏IGCT。因此，在电感两端还设置有一个RCD箝位吸收电路，通过电阻消耗电感上的能量，通过电容限制电感产生的过电压。因此，L、R、C、D就构成了IGCT相桥臂中的吸收电路，如附图1的部分所示。

在IGCT开通换流时，负载电流由二极管换流到IGCT。在换流过程中，IGCT导通，端电压为0V，二极管电流正在减小，但还未截止，因此二极管上的端电压也为0V。此时，中间直流电压全部加在用于抑制电流变化率的电感及线路杂散电感上，电压持续的时间即为换流过程所需的时间。

IGCT开通换流过程中换流二极管将经历反向恢复过程，这是二极管发生失效概率最大的一种工况。如果此过程中二极管失效，则电感上的电压持续的时间将超过变频器正常运行时换流时间。

在IGCT关断换流时，IGCT关断，换流二极管导通，电感上的电流给电容充电，同时经过电阻放电，最终达到稳定平衡，这个过程中在电感两端将产生一个反向电压。如果IGCT关断失效，则电感上将不会产生反向电压。

在当前的IGCT变频器应用中，虽然已有对桥臂直通故障进行检测和保护，但该功能不能检测哪个二极管发生故障，不能对IGCT器件关断故障进行可靠检测及保护。

因此，总体来说，如图1所示，根据本发明的一个实施例，提供了一种具有故障检测功能的IGCT相模块电路。该电路一般包括IGCT功率单元相桥臂电路、电感、箝位吸收电路以及故障检测单元。IGCT功率单元相桥臂电路包括IGCT功率器件V1,V2和与功率器件反向并联的换流二极管D1,D2。在相模块电路上还设置电感Ls，其串联在相桥臂电路上，用以限制所述桥臂电路中的IGCT功率器件开通时的电流变化速度。为了吸收桥臂电路中的IGCT功率器件关断时产生的过电压在电感Ls两端上连接箝位吸收电路。如图1所示，箝位吸收电路包括电阻Rs、串联的肖特基二极管以及从电阻与二极管连接点引出的端子上连接的电容Cc1。

此外，该相模块电路还包括故障检测单元。故障检测单元与电感Ls磁耦合，用以检测电感Ls上的电压、相电流方向，并基于IGCT功率器件V1,V2的开关动作、电感上的电压方向和相电流方向对故障位置进行逻辑判断。

具体来说，本发明的故障检测单元利用IGCT变频器相桥臂的箝位电感电压信号、开关管脉冲控制信号以及相桥臂电流方向检测信号，实时准确检测IGCT元件的故障，为IGCT门驱故障检测判断做补充。同时实时准确检测IGCT反并联二极管故障并定位，解决不控元件二极管故障不能实时检测的问题。此外，实时准确检测IGCT变频器相桥臂短路故障，采取合适保护策略，保证变频器系统安全。

在故障检测单元中，其主要包括：电流传感器，用以检测相桥臂电流方向；反并联连接在电流传感器两端的发光二极管T1,T2；分别与发光二极管T1,T2串联的电阻R1和稳压管DZ1以及二极管D3,D4；判断模块，其基于功率器件V1,V2的开关动作、电感Ls上的电压方向和相电流方向对故障位置进行逻辑判断。

本发明的故障检测单元在功能实现上主要由电感电压检测、桥臂相电流方向检测以及故障逻辑判断定位三部分组成。电感电压检测电路将电感在器件换流时候所产生的正负电压转化为两路光纤信号。桥臂相电流方向检测判断电流是流入还是流出。故障逻辑判断定位程序依据电感电压信号、IGCT脉冲信号以及电流方向信号对IGCT及FRD进行故障判断及定位。

电感电压状态检测电路如附图2，其工作原理为：

当电流流出相桥臂，V1开通，电流由D2换流至V1，电感正向承受全部直流电压，持续时间为换流时间(如图3)，经过电感电压检测电路，光纤信号T1发光。同理，电流流入相桥臂，V2开通，电流由D1换流至V2时T1发光。

当电流经过V1流出相桥臂，V1关断，Ls上电流经过Dcl、Ccl和Rs续流。在Ls上产生反向电压(如图4)，电压使T2发光。同理，当电流经过V2流入相桥臂，V2关断，Ls产生反向电压，T2发光。

即由T1发光可知进行了IGCT开通动作，由T2发光可知进行了IGCT关断动作。电流方向检测原理为：

相桥臂电流信号由电流传感器检测，电流传感器输出电流源信号，信号的正负由相桥臂电流方向决定，因此将电流传感器输出的电流信号送到采样电阻，检测采样电阻端电压的正负来得出相桥臂电流方向。

IGCT失效大都发生在关断电流时候，快恢复二极管失效大都发生在反向恢复过程。而在变频器实际运行过程中，IGCT开关动作进行时刻可能的状态如下表所示。

表1：两电平IGCT变频器拓扑所有可能换流工况

由上表可知，器件失效通常发生在四种状态下的开关动作，且四种状态下器件上是否发生失效可通过开关动作、电流方向以及电感电压状态信号综合进行判断。

表2：两电平IGCT变频器拓扑相模块元件失效判断表

开关动作	电流方向	正常电感电压	故障判断
				V1开通	电流流出	T1有光	D2失效，桥臂短路
V1关断	电流流出	T2有光	V1失效
				V2开通	电流流入	T1有光	D1失效，桥臂短路
V2关断	电流流入	T2有光	V2失效

故障逻辑判断如图5所示。判断模块在判断出相电流为流出时，进行第一功率器件V1的开关动作的判断，如果第一功率器件为开通并且第一发光二极管发光，则第二换流二极管处于正常状态，否则，第二换流二极管失效。

如果第一功率器件V1为关断，并且第一发光二极管T1光，则第一功率器件V1处于正常状态，否则，第一功率器件V1失效。

判断模块在判断出相电流为流入时，进行第二功率器件V2的开关动作的判断，如果第二功率器件V2为开通并且第二发光二极管T2发光，则第一换流二极管D1处于正常状态，否则，第一换流二极管D1失效。

如果第二功率器件V2为关断并且第二发光二极管T2发光，则第二功率器件V2处于正常状态，否则，第二功率器件V2失效。

根据本发明的一个实施例，故障检测单元在硬件电路上还包括并联在稳压管和发光二极管上的电阻R2,R4。这两个电阻的作用是进一步降低从电感处感应出的电压的等级，从而保证故障检测电路中元器件不会被损坏。

本发明的核心内容为IGCT及FRD故障检测判断方法，其中电感电压信号检测采集以及电流方向信号采集的具体实现方式可有多种，并非用于限制本专利的范围。

以上说明是通过两电平变频器拓扑电路结构进行描述的。然而，本发明同样可用到三电平中点箝位变频器的拓扑结构中。

综上所述，本发明针对IGCT变频器，利用IGCT变频器相桥臂的箝位电感电压信号、开关管脉冲控制信号以及相桥臂电流方向检测信号，实时检测系统运行时IGCT以及二极管的工作状态。当IGCT以及二极管发生失效时，状态能够立即检测出来，并采取合适的系统保护措施，从而避免故障的进一步扩大，损坏更多的器件。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (7)

1.一种具有故障检测功能的IGCT相模块电路，其特征在于，所述电路包括：

IGCT功率单元相桥臂电路，其包括IGCT功率器件(V1，V2)和与所述功率器件反向并联的换流二极管(D1，D2)；

电感(Ls)，其串联在所述相桥臂电路上，用以限制所述桥臂电路中的IGCT功率器件开通时的电流变化速度；

箝位吸收电路，其连接在所述电感两端，用以吸收所述桥臂电路中的IGCT功率器件关断时产生的过电压，以及

故障检测单元，其与所述电感(Ls)磁耦合，用以检测所述电感(Ls)上的电压，并基于所述功率器件的开关动作、系统当前相电流方向和所述电感(Ls)上的电压方向对故障位置进行逻辑判断。

2.如权利要求1所述的具有故障检测功能的IGCT相模块电路，其特征在于，所述故障检测单元包括：

电流传感器，用以检测相桥臂电流方向；

反并联连接在所述电流传感器两端的发光二极管(T1，T2)；

分别与所述发光二极管(T1，T2)串联的电阻(R1，R3)和稳压管(DZ1，DZ2)以及二极管(D1，D2)；

判断模块，其基于所述功率器件的开关动作、所述电感(Ls)上的电压方向和所述相电流方向对故障位置进行逻辑判断。

3.如权利要求2所述的具有故障检测功能的IGCT相模块电路，其特征在于，所述判断模块在判断出相电流为流出时，进行第一功率器件(V1)的开关动作的判断，如果第一功率器件(V1)为开通并且第一发光二极管(T1)发光，发光时间不大于最大正常换流时间，则第二换流二极管(D2)处于正常状态，否则，所述第二换流二极管(D2)失效。

4.如权利要求3所述的具有故障检测功能的IGCT相模块电路，其特征在于，如果第一功率器件(V1)为关断，并且第一发光二极管(T1)发光，则第一功率器件(V1)处于正常状态，否则，第一功率器件(V1)失效。

5.如权利要求3所述的具有故障检测功能的IGCT相模块电路，其特征在于，所述判断模块在判断出相电流为流入时，进行第二功率器件(V2)的开关动作的判断，如果第二功率器件(V2)为开通并且第二发光二极管(T2)发光，且发光时间不大于最大正常换流时间，则第一换流二极管(D1)处于正常状态，否则，所述第一换流二极管(D1)失效。

6.如权利要求5所述的具有故障检测功能的IGCT相模块电路，其特征在于，如果第二功率器件(V2)为关断并且第二发光二极管(T2)发光，则第二功率器件(V2)处于正常状态，否则，所述第二功率器件(V2)失效。

7.如权利要求1-6中任一项所述的具有故障检测功能的IGCT相模块电路，其特征在于，所述故障检测单元还包括并联在所述稳压管和所述发光二极管上的电阻(R2，R4)。