CN106771955A - 半导体器件故障检测的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种半导体器件故障检测的装置及方法，所述装置包括主功率模块、电压处理模块和判断模块，所述主功率模块包括串联的至少一个半导体器件和桥臂电感，所述电压处理模块与所述桥臂电感并联，所述判断模块与所述电压处理模块连接；所述电压处理模块，用于采集所述桥臂电感的电压，并将采集的电压转换为低电压；所述判断模块，用于将所述转换后的低电压与预设的第一比较阀值、第二比较阀值进行比较，根据比较结果和判断模块中的预设条件来判断所述半导体器件是否发生故障；所述第一比较阀值小于或等于第二比较阀值。本发明提供的装置及方法可以实时检测半导体器件的过流、短路、直通情况。

Description

半导体器件故障检测的装置及方法

技术领域

本发明涉及到电子技术领域，特别是涉及到半导体器件故障检测的装置及方法。

背景技术

半导体器件对导通时的电流上升率敏感，尤其是GTO、GCT、IGCT等器件对导通时的电流上升率更加敏感。为了限制半导体器件导通时的电流上升率，公知的做法是在半导体回路中串联电流上升率限制电抗器。当半导体器件过流、短路、直通情况发生时，需要迅速将过流、短路、直通情况进行检测和判断，进而控制能量有序泄放，有效防止故障扩大。

快速、准确的检测和判断半导体过流、短路、直通情况是进行产品整体保护的关键点。现在通用的检测方法具有很大局限性：

(1)不具有实时性，检测通道都需要经过滤波、记忆和复位环节，导致桥臂发生直通故障后无法第一时间检测出来，在实际应用中检测不及时将导致不能快速启动保护，从而导致次生故障。

(2)不具有普遍适用性，半导体器件的电流上升率耐受值、桥臂电流上升率限制电抗器数值、检测通道滤波数值之间息息相关。实际应用中各个参数配合设计的复杂度很高。

发明内容

本发明的主要目的为提供一种半导体器件故障检测的装置及方法，解决了现有半导体器件过流、短路、直通情况检测不具有实时性和普通适用性的问题。

本发明提出一种半导体器件故障检测的装置，所述装置包括主功率模块、电压处理模块和判断模块，所述主功率模块包括串联的至少一个半导体器件和桥臂电感，所述电压处理模块与所述桥臂电感并联，所述判断模块与所述电压处理模块连接；

所述电压处理模块，用于采集所述桥臂电感的电压，并将采集的电压转换为低电压；

所述判断模块，用于将所述转换后的低电压与预设的第一比较阀值、第二比较阀值进行比较，根据比较结果和判断模块中的预设条件来判断所述半导体器件是否发生故障；所述第一比较阀值小于或等于第二比较阀值。

进一步地，所述判断模块包括启动计时单元、停止计时单元和确定单元，其中：

所述启动计时单元用于当所述转换后的低电压的绝对值大于第二比较阀值时，启动计时；所述停止计时单元用于当所述转换后的低电压的绝对值小于第一比较阀值时，停止计时；

所述确定单元，用于根据所述计时的时长，确定所述半导体器件是否发生过流、短路或直通。

进一步地，所述确定单元包括：

判断子单元，用于判断所述时长是否超过预设的时间阀值；

第一判定子单元，用于当所述时长超过预设的时间阀值时，判定所述半导体器件发生过流、短路或直通。

进一步地，所述确定单元包括：

计算子单元，用于根据所述时长计算所述半导体器件的电流；

比较子单元，用于比较所述半导体器件的电流与预设的电流阀值；

第二判定子单元，用于当所述半导体器件的电流大于所述电流阀值时，判定所述半导体器件发生过流、短路或直通。

进一步地，所述电压处理模块包括：

检测单元，用于检测所述桥臂电感的实时电压；

转换单元，用于将所述检测到的实时电压进行处理，转换为与实时电压同相或者反相的低电压后，作为所述桥臂电感的电压输出至所述判断模块。

进一步地，所述判断模块包括启动充放电单元、储能单元、确定单元，其中：

所述启动充放电单元，用于当所述转换后的低电压的绝对值大于第二比较阀值时，对储能单元进行能量储能；当所述转换后的低电压的绝对值小于第一比较阀值时，对储能单元进行能量泄放；

所述储能单元，用于当启动充放电单元充电时，储存充电能量；当启动充放电单元放电时，通过启动充放电单元泄放储存的能量；

所述确定单元，还用于根据储能单元储存中能量的大小，确定所述半导体器件是否发生过流、短路或直通。

本发明还提出一种半导体器件故障检测的方法，用于上述装置；所述方法包括：

采集桥臂电感的电压，并将采集的电压转换为低电压；

将所述转换后的低电压与预设的第一比较阀值、第二比较阀值进行比较，根据比较结果和判断模块中的预设条件来判断所述半导体器件是否发生故障；所述第一比较阀值小于或等于第二比较阀值。

进一步地，所述根据比较结果和判断模块中的预设条件来判断所述半导体器件是否发生故障包括：当比较结果满足预设条件时触发计时，并根据所述计时的时长判断所述半导体器件是否发生故障；其具体包括：

当所述转换后的低电压的绝对值大于第二比较阀值时，启动计时；当所述转换后的低电压的绝对值小于第一比较阀值时，停止计时；

根据所述计时的时长，确定所述半导体器件是否发生过流、短路或直通。

进一步地，所述根据计时的时长，确定所述半导体器件是否发生过流、短路或直通具体为：

判断所述时长是否超过预设的时间阀值；

当所述时长超过预设的时间阀值时，判定所述半导体器件发生过流、短路或直通。

进一步地，所述根据计时的时长，确定所述半导体器件是否发生过流、短路或直通具体为：

根据所述时长计算所述半导体器件的电流；

比较所述半导体器件的电流与预设的电流阀值；

当所述半导体器件的电流大于所述电流阀值时，判定所述半导体器件发生过流、短路或直通。

进一步地，所述电压处理模块采集所述桥臂电感的电压包括：

检测所述桥臂电感的实时电压；

将所述检测到的实时电压进行处理，转换为与实时电压同相或者反相的低电压后，作为所述桥臂电感的电压输出。

进一步地，所述根据比较结果和判断模块中的预设条件来判断所述半导体器件是否发生故障包括：当转换后的低电压的绝对值大于第二比较阀值时，对储能单元启动充电；当转换后的低电压的绝对值小于第一比较阀值时，对储能单元进行放电；

根据储能单元中能量的大小，确定所述半导体器件是否发生过流、短路或直通。

本发明实施例通过实时检测与半导体器件串联的桥臂电感的电压，通过对桥臂电感电压的分析比较，当比较的结果满足触发条件时则触发计时或储能单元的充放电，并根据计时的时长或储能单元能量的大小实时监控半导体器件是否发生过流、短路、直通情况。本发明实施例的装置及方法适用于各种半导体器件和拓扑结构，具有普通适用性。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的半导体器件故障检测的装置的结构图；

图2是本发明实施例一提供的半导体器件故障检测的装置中电压处理模块的结构图；

图3是本发明实施例一提供的半导体器件故障检测的装置中半导体器件的电流上升率的示意图；

图4是本发明实施例一提供的半导体器件故障检测的装置中判断模块的结构图；

图5是本发明实施例一提供的半导体器件故障检测的装置中确定单元的结构图；

图6是本发明实施例一提供的半导体器件故障检测的装置的另一结构图；

图7是本发明实施例二提供的半导体器件故障检测的装置中判断模块的结构图；

图8是本发明实施例三提供的半导体器件故障检测的方法的流程图；

图9是本发明实施例三提供的半导体器件故障检测的方法中采集步骤的流程图；

图10是本发明实施例三提供的半导体器件故障检测的方法中判断步骤的流程图；

图11是本发明实施例四提供的半导体器件故障检测的方法中判断步骤的流程图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

本发明实施例一提出一种半导体器件故障检测的装置。如图1所示，本发明实施例一的装置包括主功率模块10、电压处理模块20和判断模块30，主功率模块10包括串联的至少一个半导体器件11和桥臂电感12(图1以一个半导体器件11、一桥臂电感12为例，实际设计中可为两个或两个以上的桥臂电感12，但采集电压时仅需采集其中一个桥臂电感12的电压)，电压处理模块20与桥臂电感12并联，判断模块30与电压处理模块20连接。其中，

电压处理模块20，用于采集桥臂电感12的电压，并将采集的桥臂电感12的电压转换为低电压；

判断模块30，用于将转换后的低电压与预设的第一比较阀值、第二比较阀值进行比较，根据比较结果和判断模块中的预设条件来判断所述半导体器件是否发生故障。具体为，当比较结果满足预设条件时触发计时，并根据计时的时长判断半导体器件11是否发生故障，第一比较阀值小于或等于第二比较阀值。

其中，主功率模块10包括但不限于“I”型三电平拓扑电路、“T”型三电平拓扑电路、“Vienna-Like”三电平拓扑电路、两电平变换器拓扑电路、能量泄放拓扑电路等。

判断模块30通过光纤与保护模块(参阅图6)进行电气隔离，用于满足安规要求。

如图2所示，电压处理模块20包括：

检测单元21，用于检测桥臂电感12的实时电压；

转换单元22，用于将检测到的实时电压进行处理(如进行分压处理，或者分压和反向处理)转换为与实时电压同相或者反相的低电压后，作为桥臂电感12的电压输出至判断模块30。

如图3所示，图3为桥臂电感12两端的电压及流过桥臂电感12的电流示意图，其中，i_L为流过桥臂电感12的电流，u_L为桥臂电感12两端的电压。

在t₀～t₁时刻，当串联桥臂电感12的半导体器件11处于导通过程中时，流过桥臂的电流从0开始线性上升，电流上升斜率为同时，桥臂电感12两端的电压u_L的数值等于u₂：

其中，u₂为t₀～t₁时刻桥臂电感12两端的电压，l_δ为桥臂寄生感抗，为特定值，V_dc为主功率模块中直流侧电压。由于桥臂电感12L₁远远大于l_δ，故桥臂电感12两端的电压接近半边母线电压。

在t₁～t₂时刻，当串联桥臂电感12的半导体器件11从关断状态到导通状态的过程结束时，换流也结束，半导体器件11已经完全导通，桥臂电感12的电流的斜率变为受到主功率模块10中直流侧电压、主功率模块10中输出电感及外部电感等方面的影响，远远小于t₀到t₁时刻的桥臂电感12两端的电压u_L的数值等于u₁，桥臂电感12两端的电压u₁也远远小于u₂。u₁的计算公式为：

其中，u₁为t₁～t₂时刻桥臂电感12两端的电压，L₁为桥臂电感12，为特定值，为t₁～t₂时刻流过桥臂电感12的电流斜率。

如图4所示，判断模块30包括启动计时单元31、停止计时单元32和确定单元33，其中：

启动计时单元用于当转换后的低电压的绝对值大于第二比较阀值时，启动计时；停止计时单元用于当所述转换后的低电压的绝对值小于第一比较阀值时，停止计时。

具体说，转换后的低电压与实时电压同相时，启动计时单元31用于当转换后的低电压大于第二比较阀值时，启动计时；停止计时单元32用于当转换后的低电压小于第一比较阀值时，停止计时；

转换后的低电压与实时电压反相时，启动计时单元31用于当转换后的低电压小于第一比较阀值时，启动计时；停止计时单元32用于当转换后的低电压大于第二比较阀值时，停止计时；

确定单元33，用于根据计时的时长，确定半导体器件是否发生过流、短路或直通。

上述第一比较阀值和第二比较阀值可预先设置为等值，或第一比较阀值小于第二比较阀值。当第一比较阀值和第二比较阀值等值时，判断模块的硬件电路和软件处理相对简单，当第一比较阀值小于第二比较阀值时，即使转换后的低电压在两个比较阈值附近震荡或波动，也不会引起判断模块的启动或停止，判断模块的比较结果更加可靠。

电压处理模块20中的转换单元22将桥臂电感12两端的高电压处理成为可供判断模块使用的低电压u_c，此处，低电压u_c可以为与实时电压同相或者反相，具体说，转换单元22通过内部的分压电路和比例差分电路，将实时电压转化为同相位不同幅值的波形；或者通过分压电路、比例差分电路以及与比例差分电路连接的加法电路，将实时电压转化为反相位(180°相位)不同幅值的波形。本发明实施方式中，以转化后同相位不同幅值的波形的低电压为例进行描述。

处理后的低电压u_c和桥臂电感12电压u_L的关系为：

u_c＝k₀*u_L，

其中，k₀为u_c和u_L之间的比例系数，数值小于1。

判断模块30将转换后的低电压u_c与预设的第一比较阀值V_ref_H₁、第二比较阀值V_ref_H₂进行比较，判断半导体器件11是否发生过流、短路或直通；第一比较阀值V_ref_H₁和第二比较阀值V_ref_H₂满足如下关系式：

k₀*u₂＞V_ref_H₂＞V_ref_H₁＞k₀*u₁。

判断模块30设置两个比较器第一比较器和第二比较器，假定u_c大于第一比较阀值V_ref_H₁时，第一比较器输出低电平信号，反之，当u_c小于第二比较阀值V_ref_H₂时，第二比较器输出高电平信号。则具体实现如下：

计时器不进行计时时，当第一比较器输出低电平信号，第二比较器输出低电平信号时，启动计时单元31触发计时器计时；

计时器正在计时时，当第一比较器输出高电平信号，第二比较器输出高电平信号时，停止计时单元32触发计时器停止计时。

需要说明的是，在本案的其他实施例中，也可以设定当u_c小于第一比较阀值V_ref_H₁时，第一比较器输出低电平信号，反之，当u_c大于第二比较阀值V_ref_H₂时，第二比较器输出高电平信号，逻辑规则则相应进行调整，在此不进行赘述。

确定单元33根据第一比较器和第二比较器的输出结果可以判断出半导体器件11的开关状态。当启动计时时，说明半导体器件11开始导通，此时，桥臂电感12电流按照斜率上升，同时，桥臂电感12两端电压为u₂。停止计时时，说明半导体器件11已经完全导通，此时，桥臂电感12电流按照斜率上升，同时，桥臂电感12两端电压为u₁。

如图5所示，确定单元33包括：

判断子单元331，用于判断时长是否超过预设的时间阀值；

第一判定子单元332，用于当时长超过预设的时间阀值时，判定半导体器件11发生过流、短路或直通。

计算子单元333，用于根据时长计算半导体器件11的电流；

比较子单元334，用于比较半导体器件11的电流与预设的电流阀值；

第二判定子单元335，用于当半导体器件11的电流大于电流阀值时，判定半导体器件11发生过流、短路或直通。

确定单元33确定流过半导体器件11的状态可以通过如下两种方式进行：

其一是判断子单元331判断时长是否超过预设的时间阀值；当时长超过预设的时间阀值时，第一判定子单元332判定半导体器件11发生过流、短路或直通，此时，时间阀值是根据电气参数计算出的可以反应电流已经超出设计值的时间，其中的电气参数为母线电压、开关频率、滤波电感、逆变电压等级。

根据公知的理论，通过母线电压、开关频率、滤波电感、逆变电压等级可以得到逆变器的最大输出峰值电流I_p，通过I_p及桥臂电感的感值，可以计算出桥臂电感两端电压为时保持的最大时间其中，u_L为桥臂电感12两端的电压，L₁为桥臂电感的数值，I_p为主功率模块的最大输出峰值电流，k₁为大于1的系数，即为了防止误动作而设置的安全系数，一般设置该系数为1.2。

当时长t_c大于t_{u_max}时，说明逆变器输出电流已经超出设计值，半导体器件11处于过流、短路或者直通状态，判断模块实时通过光纤上传故障信号到保护模块。

其二是根据时长计算半导体器件11的电流，比较子单元334比较半导体器件11的电流与预设的电流阀值，当半导体器件11的电流大于电流阀值时，第二判定子单元335判定半导体器件11发生过流、短路或直通。

实时计算出的半导体器件11的电流数值为：

其中，t_c为处理器实时的计时数值，通过桥臂电感参数及母线电压计算得到。

根据计算出的半导体器件11的电流和预设的电流阀值I_comp进行比较，当大于I_comp时，判定半导体处于过流、短路或直通，实时通过光纤上传故障信号到保护模块。电流阀值I_comp计算如下：

I_comp＝k₂*I_p

其中，I_p为主功率模块的最大输出峰值电流，k₂为大于1的系数，是为了防止误动作而设置的安全系数，一般设置该系数为1.2。

需要注意的是，本发明实施例一所指的故障指过流、短路或直通的故障情况。本发明只能粗略检测出半导体器件11发生故障，无法检测出发生的是过流、短路还是直通。

如图6所示，本发明实施例一还可包括一保护模块40，当半导体器件11发生过流、短路或直通时，保护模块40启动对主功率模块10的保护。

本发明实施例一通过实时检测与半导体器件11串联的桥臂电感12的电压，通过对桥臂电感12电压的分析比较，当比较的结果满足触发条件时则触发计时，并根据计时的时长实时监控半导体器件11是否发生过流、短路、直通情况。同时，与现有技术相比，本发明实施例一的装置中，对桥臂电感12的分压没有使用充放电的电容，而是实时采集桥臂电感12的电压并处理，因此不会造成延时，提高故障判断的实时性。

实施例二

本发明实施例二提出一种本发明实施例一提出一种半导体器件故障检测的装置。与实施例一不同，如图7所示，本发明实施例二中，判断模块30还包括启动充放电单元34和储能单元35，

所述启动充放电单元34用于当转换后的低电压的绝对值大于第二比较阀值时，对储能单元35进行能量储能；当所述转换后的低电压的绝对值小于第一比较阀值时，对储能单元35进行能量泄放；

储能单元35，用于当启动充放电单元34充电时，储存充电能量；当启动充放电单元34放电时，泄放储存的能量；

所述确定单元33，还用于根据储能单元34储存中能量的大小，确定半导体器件11是否发生过流、短路或直通。

需要注意是的，判断模块30可根据需要仅设置启动计时单元31、停止计时单元32、确定单元33或仅设置启动充放电单元34、储能单元35、确定单元33。

本发明实施例二可实施根据储能单元35的能量大小判断半导体器件11的是否发生过流、短路、直通情况。

实施例三

本发明实施例三提出一种半导体器件故障检测的方法，用于本发明实施例一的装置，如图8所示，本发明实施例三的方法包括步骤：

S1、电压处理模块采集桥臂电感的电压u_L，并将采集的电压u_L转换为低电压u_c。

如图9所示，步骤S1包括：

S11、检测桥臂电感的实时电压；

S12、将检测到的实时电压进行处理(例如，进行分压处理，或者分压和反向处理)转换为与实时电压同相或者反相的低电压后，作为桥臂电感的电压u_L输出至判断模块。

如图3所示，图3为桥臂电感两端的电压及流过桥臂电感的电流示意图，其中，i_L为流过桥臂电感的电流，u_L为桥臂电感两端的电压。

在t₀～t₁时刻，当串联桥臂电感的半导体器件处于导通过程中时，流过桥臂的电流从0开始线性上升，电流上升斜率为同时，桥臂电感两端的电压u_L的数值等于u₂：

其中，u₂为t₀～t₁时刻桥臂电感两端的电压，l_δ为桥臂寄生感抗，为特定值，V_dc为主功率模块中直流侧电压。由于桥臂电感L₁远远大于l_δ，故桥臂电感两端的电压接近半边母线电压。

在t₁～t₂时刻，当串联桥臂电感的半导体器件从关断状态到导通状态的过程结束时，换流也结束，半导体器件已经完全导通，桥臂电感的电流的斜率变为受到主功率模块中直流侧电压、主功率模块中输出电感及外部电感等方面的影响，远远小于t₀到t₁时刻的桥臂电感两端的电压u_L的数值等于u₁，桥臂电感两端的电压u₁也远远小于u₂。u₁的计算公式为：

其中，u₁为t₁～t₂时刻桥臂电感两端的电压，L₁为桥臂电感，为特定值，为t₁～t₂时刻流过桥臂电感的电流斜率。

电压处理模块中的转换单元将桥臂电感两端的高电压处理成为可供判断模块使用的低电压u_c，此处，低电压u_c可以为与实时电压同相或者反相，具体说，转换单元通过内部的分压电路和比例差分电路，将实时电压转化为同相位不同幅值的波形；或者通过分压电路、比例差分电路以及与比例差分电路连接的加法电路，将实时电压转化为反相位不同幅值的波形。本发明实施方式中，以转化后同相位不同幅值的波形的低电压为例进行描述。

处理后的低电压u_c和桥臂电感电压u_L的关系为：

u_c＝k₀*u_L，

其中，k₀为u_c和u_L之间的比例系数，数值小于1。

S2、判断模块将转换后的低电压u_c与预设的第一比较阀值V_ref_H₁、第二比较阀值V_ref_H₂进行比较，根据比较结果和判断模块中的预设条件来判断半导体器件是否发生故障。例如，当比较结果满足预设条件时触发计时，并根据计时的时长判断半导体器件是否发生故障，满足如下关系式：

k₀*u₂＞V_ref_H₂＞V_ref_H₁＞k₀*u₁。

如图10所示，步骤S2具体包括：

S31、转换后的低电压与实时电压同相时，当转换后的低电压u_c大于第二比较阀值V_ref_H₂时，启动计时；当转换后的低电压u_c小于第一比较阀值V_ref_H₁时，停止计时。

S32、转换后的低电压与实时电压反相时，当所述转换后的低电压小于第一比较阀值时，启动计时；当所述转换后的低电压大于第二比较阀值时，停止计时；

换句话说，当转换后的低电压的绝对值大于第二比较阀值时，启动计时；当所述转换后的低电压的绝对值小于第一比较阀值时，停止计时。

S33、根据计时的时长，确定半导体器件是否发生过流、短路或直通。

上述第一比较阀值和第二比较阀值可预先设置为等值，或第一比较阀值小于第二比较阀值。当第一比较阀值和第二比较阀值等值时，判断模块的硬件电路和软件处理相对简单，当第一比较阀值小于第二比较阀值时，即使转换后的低电压在两个比较阈值附近震荡或波动，也不会引起判断模块的启动或停止，判断模块的比较结果更加可靠。

判断模块设置两个比较器第一比较器和第二比较器，假定u_c大于第一比较阀值V_ref_H₁时，第一比较器输出低电平信号，反之，当u_c小于第二比较阀值V_ref_H₂时，第二比较器输出高电平信号。则具体实现如下：

计时器不进行计时时，当第一比较器输出低电平信号，第二比较器输出低电平信号时，启动计时；

计时器正在计时时，当第一比较器输出低电平信号，第二比较器输出高电平信号时，计时器继续进行计时；

计时器正在计时时，当第一比较器输出高电平信号，第二比较器输出高电平信号时，计时器停止计时。

需要说明的是，在本案的其他实施例中，也可以设定当u_c小于第一比较阀值V_ref_H₁时，第一比较器输出低电平信号，反之，当u_c大于第二比较阀值V_ref_H₂时，第二比较器输出高电平信号，逻辑规则则相应进行调整，在此不进行赘述。

判断模块根据第一比较器和第二比较器的输出结果可以判断出半导体器件的开关状态。当启动计时时，说明半导体器件开始导通，此时，桥臂电感电流按照斜率上升，同时，桥臂电感两端电压为u₂。停止计时时，说明半导体器件已经完全导通，此时，桥臂电感电流按照斜率上升，同时，桥臂电感两端电压为u₁。

根据步骤S2中计时的长短，判断流过半导体器件的状态。判断方式可以是如下两种：

其一是判断时长是否超过预设的时间阀值；当时长超过预设的时间阀值时，判定半导体器件发生过流、短路或直通，此时，时间阀值是根据电气参数计算出的可以反应电流已经超出设计值的时间，其中的电气参数为母线电压、开关频率、滤波电感、逆变电压等级。

根据公知的理论，通过母线电压、开关频率、滤波电感、逆变电压等级可以得到逆变器的最大输出峰值电流I_p，通过I_p及桥臂电感的感值，可以计算出桥臂电感两端电压为时保持的最大时间其中，u_L为桥臂电感两端的电压，L₁为桥臂电感的数值，I_p为主功率模块的最大输出峰值电流，k₁为大于1的系数，即为了防止误动作而设置的安全系数，一般设置该系数为1.2。

当时长t_c大于t_{u_max}时，说明逆变器输出电流已经超出设计值，半导体器件处于过流、短路或者直通状态，判断模块实时通过光纤上传故障信号到保护模块。

其二是根据时长计算半导体器件的电流，比较半导体器件的电流与预设的电流阀值，当半导体器件的电流大于电流阀值时，判定半导体器件发生过流、短路或直通。

实时计算出的半导体器件的电流数值为：

其中，t_c为处理器实时的计时数值，通过桥臂电感参数及母线电压计算得到。

根据计算出的半导体器件的电流和预设的电流阀值I_comp进行比较，当大于I_comp时，判定半导体处于过流、短路或直通，实时通过光纤上传故障信号到保护模块。电流阀值I_comp计算如下：

I_comp＝k₂*I_p

其中，I_p为主功率模块的最大输出峰值电流，k₂为大于1的系数，是为了防止误动作而设置的安全系数，一般设置该系数为1.2。

当半导体器件发生过流、短路或直通时，启动对主功率模块的保护。

需要注意的是，本发明实施例三所指的故障指过流、短路或直通的故障情况。本发明只能粗略检测出半导体器件发生故障，无法检测出发生的是过流、短路还是直通。

本发明实施例三通过实时检测与半导体器件串联的桥臂电感的电压，通过对桥臂电感电压的分析比较，当比较的结果满足触发条件时则触发计时，并根据计时的时长实时监控半导体器件是否发生过流、短路、直通情况，具有实时性。且本发明实施例三的方法适用于各种半导体器件和拓扑结构，具有普通适用性。

本发明其他实施例也可以根据储能单元能量的大小实时监控半导体器件是否发生过流、短路、直通情况。

实施例四

本发明实施例四提出一种半导体器件故障检测的方法，用于本发明实施例二的装置。与本发明实施例三的方法不同，如图11所示，步骤S2包括下列步骤：

S34、当转换后的低电压的绝对值大于第二比较阀值时，对储能单元启动充电；

或S35、当转换后的低电压的绝对值小于第一比较阀值时，对储能单元进行放电；

S36、根据储能单元中能量的大小，确定所述半导体器件是否发生过流、短路或直通。

本发明实施例四的方法可根据储能单元的能量大小判断半导体器件的是否发生过流、短路、直通情况。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (12)

1.一种半导体器件故障检测的装置，所述装置包括主功率模块、电压处理模块和判断模块，所述主功率模块包括串联的至少一个半导体器件和桥臂电感，所述电压处理模块与所述桥臂电感并联，所述判断模块与所述电压处理模块连接；其特征在于，

所述电压处理模块，用于采集所述桥臂电感的电压，并将采集的电压转换为低电压；

所述判断模块，用于将所述转换后的低电压与预设的第一比较阀值、第二比较阀值进行比较，根据比较结果和判断模块中的预设条件来判断所述半导体器件是否发生故障；所述第一比较阀值小于或等于第二比较阀值。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述判断模块包括启动计时单元、停止计时单元和确定单元，其中：

所述启动计时单元用于当所述转换后的低电压的绝对值大于第二比较阀值时，启动计时；所述停止计时单元用于当所述转换后的低电压的绝对值小于第一比较阀值时，停止计时；

所述确定单元，用于根据所述计时的时长，确定所述半导体器件是否发生过流、短路或直通。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述确定单元包括：

判断子单元，用于判断所述时长是否超过预设的时间阀值；

第一判定子单元，用于当所述时长超过预设的时间阀值时，判定所述半导体器件发生过流、短路或直通。

4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述确定单元包括：

计算子单元，用于根据所述时长计算所述半导体器件的电流；

比较子单元，用于比较所述半导体器件的电流与预设的电流阀值；

第二判定子单元，用于当所述半导体器件的电流大于所述电流阀值时，判定所述半导体器件发生过流、短路或直通。

5.如权利要求1至4任一所述的装置，其特征在于，所述电压处理模块包括：

检测单元，用于检测所述桥臂电感的实时电压；

转换单元，用于将所述检测到的实时电压进行处理，转换为与实时电压同相或者反相的低电压后，作为所述桥臂电感的电压输出至所述判断模块。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述判断模块包括启动充放电单元、储能单元、确定单元，其中：

所述启动充放电单元，用于当所述转换后的低电压的绝对值大于第二比较阀值时，对储能单元进行能量储能；当所述转换后的低电压的绝对值小于第一比较阀值时，对储能单元进行能量泄放；

所述储能单元，用于当启动充放电单元充电时，储存充电能量；当启动充放电单元放电时，通过启动充放电单元泄放储存的能量；

所述确定单元，还用于根据储能单元储存中能量的大小，确定所述半导体器件是否发生过流、短路或直通。

7.一种半导体器件故障检测的方法，用于权利要求1至6中任一项所述的装置；其特征在于，所述方法包括：

采集桥臂电感的电压，并将采集的电压转换为低电压；

将所述转换后的低电压与预设的第一比较阀值、第二比较阀值进行比较，根据比较结果和判断模块中的预设条件来判断所述半导体器件是否发生故障；所述第一比较阀值小于或等于第二比较阀值。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据比较结果和判断模块中的预设条件来判断所述半导体器件是否发生故障包括：当比较结果满足预设条件时触发计时，并根据所述计时的时长判断所述半导体器件是否发生故障；其具体包括：

当所述转换后的低电压的绝对值大于第二比较阀值时，启动计时；当所述转换后的低电压的绝对值小于第一比较阀值时，停止计时；

根据所述计时的时长，确定所述半导体器件是否发生过流、短路或直通。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据计时的时长，确定所述半导体器件是否发生过流、短路或直通具体为：

判断所述时长是否超过预设的时间阀值；

当所述时长超过预设的时间阀值时，判定所述半导体器件发生过流、短路或直通。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述根据计时的时长，确定所述半导体器件是否发生过流、短路或直通具体为：

根据所述时长计算所述半导体器件的电流；

比较所述半导体器件的电流与预设的电流阀值；

当所述半导体器件的电流大于所述电流阀值时，判定所述半导体器件发生过流、短路或直通。

11.如权利要求7至10中任一项所述的方法，其特征在于，所述电压处理模块采集所述桥臂电感的电压包括：

检测所述桥臂电感的实时电压；

将所述检测到的实时电压进行处理，转换为与实时电压同相或者反相的低电压后，作为所述桥臂电感的电压输出。

12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据比较结果和判断模块中的预设条件来判断所述半导体器件是否发生故障包括：

当转换后的低电压的绝对值大于第二比较阀值时，对储能单元启动充电；当转换后的低电压的绝对值小于第一比较阀值时，对储能单元进行放电；

根据储能单元中能量的大小，确定所述半导体器件是否发生过流、短路或直通。