CN108267677A - 一种基于罗氏线圈的igct阳极电流检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置及方法。IGCT包括GCT和门驱单元，IGCT阳极电流检测装置包括：布置于门驱单元与GCT接口处的罗氏线圈，以及设置于门驱单元上的电流检测电路。电流检测电路与罗氏线圈相连，当电流检测电路检测到IGCT阳极电流出现过流，则由门驱单元向GCT发出关断信号。本发明能够解决现有IGCT阳极电流检测方式需要上位机参与，会产生关断时延，从而导致时延期间IGCT电流持续增加，引起IGCT关断时电流超过额定致使关断失败的技术问题。

Description

一种基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置及方法

技术领域

本发明涉及功率半导体技术领域，尤其是涉及一种应用于功率半导体器件，尤其是IGCT器件的基于罗氏线圈的阳极电流检测装置及方法。

背景技术

IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)是一种应用于中压变频器开发的巨型电力电子成套装置中的新型电力半导体开关器件，于1997年由ABB公司提出。IGCT的诞生使得变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量和体积等方面都取得了巨大的进展，为电力电子成套装置的设计制造技术带来了新的飞跃。集成门极换流晶闸管(IGCT)通常包括门极换流晶闸管(GCT)和门驱单元，具体是将GTO芯片与反并联二极管，以及门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接。IGCT器件结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，在关断阶段呈现晶体管的特性。因此，IGCT器件具有电流大、阻断电压高、开关频率高、可靠性高、结构紧凑、低导通损耗等特点，而且成本低、成品率高，有着很好的应用前景。同时，由于IGCT的高速开关能力而无需缓冲电路，所以所需的功率元件数目更少，运行的可靠性大大增高。IGCT器件集IGBT(绝缘门极双极性晶体管)的高速开关特性和GTO(门极关断晶闸管)的高阻断电压和低导通损耗特性于一体。基于以上优点，IGCT器件在电力系统电网装置(100MVA)和中功率工业驱动装置(5MW)等中压变频器领域内已成功地应用了10余年时间。

在IGCT应用技术领域，如何对变流器中的IGCT器件进行过流检测和保护一直是一个重点和难点。现有的IGCT变流器保护方式是通过检测变流器桥臂电抗器两端电压得到电流大小产生过流或短路信号，并经上位机处理后再发送给门驱单元执行关断动作。现有检测方法由于有上位机的参与，会产生器件关断时延，时延期间IGCT的电流持续增加，导致IGCT关断时电流可能超过额定致使其关断失败。同时，由于现有检测方法受被测物本身的精度限制，因此测量结果不精确。

罗氏线圈是一种空心环形的线圈，可以直接套在被测量的导体上，通过导体中流过的交流电流会在导体周围产生一个交替变化的磁场，从而在线圈中感应出一个与电流变比成比例的交流电压信号。线圈的输出电压可以利用公式Vout＝M*di/dt来表示，其中，M为线圈的互感，di/dt则是电流的变比。线绕罗氏线圈具有精度高、测量频率范围宽、响应速度快、体积小等优点。但是，罗氏线圈应用于电流的检测也具有绕线方式不一致、分散性大、易受外界干扰、测量结果不准确等诸多严重的缺陷。

因此，研制一种IGCT阳极电流检测装置及方法，避免产生器件关断时延，以及在时延期间IGCT的电流持续增加，导致IGCT关断时电流可能超过额定致使其关断失败的现象，同时保准测量结果准确成为当前亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置及方法，解决现有检测方式需要上位机参与，会产生关断时延，从而导致时延期间IGCT电流持续增加，引起IGCT关断时电流超过额定致使关断失败的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置的技术实现方案，一种基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置，IGCT包括GCT和门驱单元，所述装置包括：

布置于所述门驱单元与所述GCT接口处的罗氏线圈；

设置于所述门驱单元上的电流检测电路，所述电流检测电路与所述罗氏线圈相连，当所述电流检测电路检测到IGCT阳极电流出现过流，则由所述门驱单元向所述GCT发出关断信号。

优选的，所述门驱单元与所述GCT的门极和阴极集成在一起，IGCT阳极电流贯穿所述门驱单元的接口内部，所述门驱单元与所述阴极保持同一电势。

优选的，所述门驱单元采用多层结构的PCB板，所述PCB板包括顶层、底层，以及位于所述顶层与底层之间的至少两个中间层，所述罗氏线圈布置于所述PCB板的两个中间层。

优选的，所述罗氏线圈以所述GCT的中心为基点，从进线端围绕所述GCT走线一周后从出线端引出，所述罗氏线圈在围绕所述GCT走线的同时通过设置于两个中间层之间的线圈埋孔来回穿插过渡于两个中间层。

优选的，所述罗氏线圈从出线端引出后，再次以所述GCT的中心为基点，从所述出线端反向围绕所述GCT一周后从进线端引出形成回线，以减小所述罗氏线圈外电流的垂直干扰，使所述罗氏线圈与所述GCT之间的互感保持恒定。

优选的，所述两个中间层包括第二中间层，以及位于所述第二中间层下部的第三中间层。所述罗氏线圈布置于所述门驱单元与所述GCT接口处的圆环形区域，所述罗氏线圈从进线端进入，自位于所述第二中间层，并临近于所述圆环形区域的外圈的起始点经过一次折弯到达拐点，并从所述拐点沿所述GCT的径向延伸至临近于所述圆环形区域的内圈的过渡点，再从所述过渡点经所述线圈埋孔穿孔至所述第三中间层后沿所述过渡点与拐点之间的路径反向折回至与所述起始点位于同一外圈的第二起始点，以上述方式走线直至所述罗氏线圈环绕所述GCT一周。

优选的，临近于所述外圈的所述线圈埋孔布置于临近于所述内圈的相邻两个线圈埋孔的中垂线位置上。

优选的，在位于所述第二中间层上部的第一中间层，以及位于所述第三中间层下部的第四中间层上还布置有屏蔽层，在两个所述屏蔽层之间设置有屏蔽层埋孔。

优选的，所述门驱单元上还设置有控制电路，以及与所述控制电路相连的开通电路和关断电路。所述控制电路接收外部的IGCT开关控制信号，并通过所述开通电路开通所述GCT，或通过所述关断电路关断所述GCT。

优选的，所述电流检测电路进一步包括依次相连的积分器、放大器和比较器。所述罗氏线圈输出的IGCT阳极电流感应信号经过所述积分器进行积分处理后由所述放大器进行放大处理。放大处理后的信号经所述比较器与设定的参考电压进行比较后输出信号至所述控制电路。当检测到IGCT阳极电流过流时，由所述控制电路通过所述关断电路实现IGCT过流关断功能。

优选的，在所述积分器的运算放大器的输入正端与输出端之间设置有积分电容，在所述运算放大器的输入正端连接有积分保持开关，在所述积分电容的两端并联有复位开关。所述积分保持开关用于实现积分电容保持，在IGCT阳极电流出现过流时使所述门驱单元保持过流状态，所述复位开关用于实现积分电容清零。

优选的，所述控制电路开始工作后判断复位信号是否有效，如果所述复位信号有效，则连通所述积分保持开关，并断开所述复位开关。如果所述复位信号无效，则判断IGCT开通有效信号是否有效。如果IGCT开通有效信号有效，则断开所述积分保持开关，并连通所述复位开关。如果IGCT开通有效信号无效，则连通所述积分保持开关，并断开所述复位开关。

本发明还另外具体提供了一种基于上述装置的IGCT阳极电流检测装置的技术实现方案，一种基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测方法，IGCT包括GCT和门驱单元，所述方法包括以下步骤：

S101)在所述门驱单元与所述GCT的接口处布置罗氏线圈；

S102)在所述门驱单元上设置电流检测电路，将所述电流检测电路与所述罗氏线圈相连；

S103)当所述IGCT工作时，所述电流检测电路检测到IGCT阳极电流出现过流，则由所述门驱单元向所述GCT发出关断信号。

优选的，在所述步骤S103)中，所述电流检测电路的检测过程进一步包括以下步骤：

所述罗氏线圈输出的IGCT阳极电流感应信号经过积分处理后再进行放大处理。经过放大处理的电压信号与设定的参考电压进行比较，根据比较结果判断是否发生IGCT阳极电流过流。当检测到发生IGCT阳极电流过流时，由所述门驱单元实现IGCT过流关断功能，同时反馈故障信号至外部的上位机。

优选的，在所述门驱单元上还设置与所述电流检测电路相连的控制电路，当所述电流检测电路检测到IGCT阳极电流过流时，由所述控制电路控制所述GCT实现IGCT过流关断功能，所述步骤S103)进一步包括：

S1031)当所述IGCT开始工作后判断所述控制电路的复位信号是否有效；

S1032)如果复位信号有效，则保持对所述罗氏线圈输出的IGCT阳极电流感应信号进行积分的状态；

S1033)如果所述复位信号无效，则判断IGCT开通有效信号是否有效；

S1034)如果IGCT开通有效信号有效，则对积分结果进行清零；

S1035)如果IGCT开通有效信号无效，则保持对所述罗氏线圈输出的IGCT阳极电流感应信号进行积分的状态。

优选的，将所述门驱单元与所述GCT的门极和阴极集成在一起，使IGCT阳极电流贯穿所述门驱单元的接口内部，所述门驱单元与所述阴极保持同一电势。

优选的，所述步骤S103)进一步包括：

当IGCT阳极电流出现过流时，所述门驱单元保持过流状态。

优选的，所述门驱单元采用多层结构的PCB板，所述PCB板包括顶层、底层，以及位于所述顶层与底层之间的至少两个中间层，所述步骤S101)进一步包括：

将所述罗氏线圈布置于所述PCB板的两个中间层。

优选的，所述步骤S101)进一步包括：

在所述的两个中间层之间设置线圈埋孔，以所述GCT的中心为基点，所述罗氏线圈从进线端围绕所述GCT走线一周后从出线端引出。所述罗氏线圈在围绕所述GCT走线的同时通过所述线圈埋孔来回穿插过渡于两个中间层。

优选的，所述步骤S101)进一步包括：

所述罗氏线圈从出线端引出后，再次以所述GCT的中心为基点，从所述出线端反向围绕所述GCT一周后从进线端引出形成回线，以减小所述罗氏线圈外电流的垂直干扰，使所述罗氏线圈与所述GCT之间的互感保持恒定。

优选的，所述步骤S101)进一步包括：

所述两个中间层包括第二中间层，以及位于所述第二中间层下部的第三中间层。将所述罗氏线圈布置于所述门驱单元与所述GCT接口处的圆环形区域，所述罗氏线圈从进线端进入，自位于所述第二中间层，并临近于所述圆环形区域的外圈的起始点经过一次折弯到达拐点，并从所述拐点沿所述GCT的径向延伸至临近于所述圆环形区域的内圈的过渡点，再从所述过渡点经所述线圈埋孔穿孔至所述第三中间层后沿所述过渡点与拐点之间的路径反向折回至与所述起始点位于同一外圈的第二起始点。按照上述方式走线直至所述罗氏线圈环绕所述GCT一周。

优选的，所述步骤S101)进一步包括：

S1011)根据PCB板的加工工艺设定位于所述内圈的线圈埋孔的最小间距；

S1012)通过最小间距计算出相邻两个位于所述内圈的线圈埋孔的到所述GCT中心处连线的夹角β；

S1013)通过夹角β计算出整个圆环形区域的内圈可放置的最大线圈埋孔数量，从而得到所述罗氏线圈的匝数N；

S1014)进行罗氏线圈的走线，所述罗氏线圈在两个中间层上，沿所述PCB板厚度方向对称布置，每匝罗氏线圈的延伸焦点位于所述GCT的中心。穿过所述罗氏线圈轴心的IGCT阳极电流产生的磁通垂直通过每匝罗氏线圈，以消除所述罗氏线圈外干扰电流的影响。

优选的，所述步骤S101)进一步包括：

在位于所述第二中间层上部的第一中间层，以及位于所述第三中间层下部的第四中间层上布置屏蔽层，并在两个所述屏蔽层之间设置屏蔽层埋孔。

优选的，所述步骤S101)进一步包括：

将临近于所述外圈的所述线圈埋孔布置于临近于所述内圈的相邻两个线圈埋孔的中垂线位置上。

通过实施上述本发明提供的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置及方法的技术方案，具有如下有益效果：

(1)本发明对IGCT阳极电流的检测无需上位机参与，通过门驱单元直接关断GCT，不会产生关断时延，从而完全避免了时延期间IGCT电流持续增加，引起IGCT关断时电流超过额定致使关断失败的现象；

(2)本发明直接在门驱单元上实现IGCT阳极电流检测，无须外加其它配件、接口，无需隔离，时延少、成本低、体积小、可靠性高，在IGCT变流领域为首创，现有产品及系统均无此项功能；

(3)本发明利用罗氏线圈进行IGCT阳极电流检测，完全不受被测物的精度限制，检测结果精度高，同时解决了传统罗氏线圈的直流偏置问题。

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使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1是本发明基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置一种具体实施方式的结构示意图；

图2是本发明中门驱单元与GCT连接结构示意图；

图3是图2中O部分的局部放大结构示意图；

图4是图2中P部分的局部放大结构示意图；

图5是本发明基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置一种具体实施方式中罗氏线圈的布线结构示意图；

图6是本发明基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置一种具体实施方式中罗氏线圈布线的局部立体结构示意图；

图7是本发明基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置一种具体实施方式中屏蔽层的结构示意图；

图8是本发明基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置一种具体实施方式中电流信号检测电路的结构原理图；

图9是本发明基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置一种具体实施方式中积分开关的逻辑波形示意图；

图10是本发明基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置一种具体实施方式中积分开关的逻辑判断示意图；

图中：1-罗氏线圈，2-门驱单元，3-控制电路，4-电流检测电路，5-积分器，6-放大器，7-比较器，8-线圈埋孔，9-屏蔽层，10-屏蔽层埋孔，11-阳极，12-阴极，13-管壳，14-门极，15-PCB板，16-顶层，17-第一中间层，18-第二中间层，19-第三中间层，20-第四中间层，21-底层，22-开通电路，23-关断电路，24-内圈，25-外圈，100-GCT。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

IGCT：Integrated Gate Commutated Thyristor，集成门极换流晶闸管的简称；

GTO：Gate-Turn-Off Thyristor，门极可关断晶闸管的简称；

GCT：Gate Commutated Thyristor，门极换流晶闸管的简称；

PCB：Printed Circuit Board，印制线路板的简称；

CAD：Computer Aided Design，计算机辅助设计的简称；

CPLD：Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件的简称。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图10所示，给出了本发明基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置及方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如附图1所示，一种基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置的具体实施例，IGCT包括GCT 100和门驱单元2，IGCT阳极电流检测装置包括：

布置于门驱单元2与GCT 100接口处的罗氏线圈1；

设置于门驱单元2上的电流检测电路4，电流检测电路4与罗氏线圈1相连，当电流检测电路4检测到IGCT阳极电流出现过流，则由门驱单元2向GCT 100发出关断信号。

如附图2所示，为门驱单元2与GCT 100的连接结构示意图。GCT 100封装在管壳13的内部，GCT 100的门极14通过导条连接至门驱单元2，GCT 100的阴极梳条和GCT 100外壳的一端压接作为IGCT的阴极12，同时连接至门驱单元2。GCT 100的阳极11与门驱单元2之间无电气连接，IGCT阳极电流贯穿整个GCT 100本体至阴极12的区域，因此罗氏线圈1只能布置在门驱单元2与GCT 100的接口处，即如附图1中所示的灰色圆环形区域M。电流检测电路4布置在门驱单元2内，不需要额外的隔离措施，也完全不影响原来的结构。图中，门驱单元2与GCT 100的门极14和阴极12集成在一起，IGCT阳极电流贯穿整个门驱单元2的接口内部，门驱单元2与阴极12保持同一电势。

门驱单元2进一步采用多层结构的PCB板15，PCB板15包括顶层16、底层21，以及位于顶层16和底层21之间的至少两个中间层。如附图4所示，罗氏线圈1布置于PCB板15内两个彼此相邻的中间层，两个彼此相邻的中间层分别为第二中间层(Mi d-Layer2)18，以及位于第二中间层18下部的第三中间层19。为了增加罗氏线圈1在层间穿插走线的厚度，罗氏线圈1也可以布置于PCB板15内两个彼此不相邻的中间层，但两个中间层之间无其它电路走线，如两个中间层之间为覆铜层或无布线中间层。作为本发明一种典型的具体实施例，如附图2、3和4所示的PCB板15采用6层板结构，并包括从上至下依次设置的顶层16、第一中间层17、第二中间层18、第三中间层19、第四中间层20和底层21，共6层。罗氏线圈1在门驱单元2的PCB板15上实现，由于顶层(Top-Layer)16和底层(Bottom-Layer)21用于门驱单元2的门阴极接口及关断电路连接布线，因此只能利用中间的四层进行罗氏线圈1的设计。如附图3和4所示的实施例利用第二中间层(Mid-Layer2)18和第三中间层(Mid-Layer3)19布置罗氏线圈1。罗氏线圈1以GCT 100的中心为基点，从进线端围绕GCT100走线一周后从出线端引出，罗氏线圈1在围绕GCT 100走线的同时通过设置于两个中间层(Mid-Layer2和Mid-Layer3)之间的线圈埋孔8来回穿插过渡于两个中间层(Mid-Layer2和Mid-Layer3)。作为本发明一种较佳的具体实施例，罗氏线圈1从出线端引出后，再次以GCT 100的中心为基点，从出线端反向围绕GCT 100一周后从进线端引出形成回线，以减小罗氏线圈1外电流的垂直干扰，使罗氏线圈1与GCT 100之间的互感保持恒定。如附图6所示，罗氏线圈1的回线沿箭头J所示的出线端至箭头K所示方向沿圆环形区域M绕一圈后从箭头L所示方向引出。

如附图5所示，假设布线从A点开始，罗氏线圈1从进线端进入，自位于第二中间层(Mid-Layer2)18，并临近于圆环形区域M的外圈25的起始点A经过一次小折弯到达拐点B，并从拐点B沿GCT 100的径向延伸至临近于圆环形区域M的内圈24的过渡点C，再从过渡点C经线圈埋孔8穿孔至第三中间层(Mid-Layer3)19后沿过渡点C与拐点B之间的路径反向折回至与起始点A位于同一外圈25的第二起始点D。从第二起始点D穿层至第二中间层(Mid-Layer2)18，并以相同的方式走线依次经过点E、F、G、H、I，直至罗氏线圈1环绕GCT 100一周，走线布满整个圆环形区域M。罗氏线圈1在两个中间层(Mid-Layer2和Mid-Layer3)上，沿PCB板15厚度方向对称布置，每匝罗氏线圈1的延伸焦点位于GCT 100的中心。作为本发明一种较佳的具体实施例，罗氏线圈1进一步布置于门驱单元2与GCT 100接口处的圆环形区域M，临近于外圈25的线圈埋孔8布置于临近于内圈24的相邻两个线圈埋孔8的中垂线H位置上，以便于设置折弯布线，并形成整个罗氏线圈1的圆环，如附图5所示。在位于第二中间层(Mid-Layer2)18上部的第一中间层(Mid-Layer1)17，以及位于第三中间层(Mid-Layer3)19下部的第四中间层(Mid-Layer4)20上还进一步布置有屏蔽层9，在两个屏蔽层9之间设置有屏蔽层埋孔10。如附图7所示，为了进一步提高抗干扰能力，在第一中间层(Mid-Layer1)17和第四中间层(Mid-Layer4)20均布置有铜箔材质的屏蔽层9。本发明实施例1描述的IGCT阳极电流检测装置通过采用在门驱单元2的PCB板15上布置罗氏线圈1实现IGCT阳极电流检测，其PCB板15上布置的罗氏线圈1通过CAD实现全数字化布线及全自动化生产，能够充分保证布线的一致性。此外，双面对称结构的罗氏线圈1采用双面铜箔对称布线，同时在出线端设置与一次绕线方向相反的回线以消除垂直于线圈平面的磁场干扰，从而极大程度地提高了抗干扰能力。

如附图8所示，门驱单元2上还设置有控制电路3，以及与控制电路3相连的开通电路22和关断电路23。控制电路3接收外部的IGCT开关控制信号，并通过开通电路22开通GCT100，或通过关断电路23关断GCT 100。电流检测电路4进一步包括依次相连的积分器5、放大器6和比较器7，积分器5进一步包括运算放大器A1，放大器6进一步包括运算放大器A2，比较器7进一步包括运算放大器A3。罗氏线圈1输出的IGCT阳极电流感应信号经过积分器5进行积分处理后由放大器6进行放大处理。放大处理后的信号经比较器7与设定的参考电压VREF进行比较后输出信号(OVER_CURRENT信号)至控制电路3。当检测到IGCT阳极电流过流(即OVER_CURRENT信号有效)时，由控制电路3通过关断电路23实现IGCT过流关断功能。放大器6的输出电压与IGCT阳极电流感应信号呈线性关系，通过设定过流点电压值(即VREF)得到过流信号OVER_CURRENT，该信号直接由门驱单元2执行GCT过流关断操作，同时反馈故障信号至上位机。其中，积分器5的积分电阻为R_C、积分电容为C_C、M为罗氏线圈1的互感，放大器6的放大倍数AF＝R₅/R₄，R₅为连接于运算放大器A2输入负端与输出端之间的电阻R5的阻值，R₄为连接于运算放大器A2输入负端的电阻R4的阻值，与IGCT阳极电流i(t)相对应的放大器6的输出电压为U₃(t)，则：

在积分器5的运算放大器A1的输入正端与输出端之间设置有积分电容C_C，在运算放大器A1的输入正端连接有积分保持开关SW1，在积分电容C_C的两端并联有复位开关(又称为积分清零开关)SW2。两个开关SW1和SW2均由控制电路3进行控制，控制电路3采用CPLD芯片实现逻辑控制功能。积分保持开关SW1用于实现积分电容保持，在IGCT阳极电流出现过流时使门驱单元2保持过流状态，复位开关SW2用于实现积分电容清零。同时，在积分电容C_C的两端并联一个大阻值的电阻R3，解决积分器5的DC(直流)失调问题。如附图9所示为积分开关的逻辑波形示意图，如附图10所示为积分开关(包括积分保持开关SW1和积分清零开关SW2)的逻辑判断示意图。控制电路3开始工作后判断复位信号RESET(控制电路3的复位信号)是否有效，如果复位信号RESET有效，则连通积分保持开关SW1，并断开复位开关SW2。如果复位信号RESET无效，则判断IGCT开通有效信号CS_ok(IGCT开通有效信号CS_ok为IGCT开关控制信号CS经控制电路3进行数字滤波处理后的信号)是否有效。如果IGCT开通有效信号CS_ok有效，则断开积分保持开关SW1，并连通复位开关SW2。如果IGCT开通有效信号CS_ok无效，则连通积分保持开关SW1，并断开复位开关SW2。

本发明实施例1描述的技术方案针对IGCT变流器过流或短路保护实现难度大的技术问题，提出了一种基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置实现方法，利用门驱单元(全称门极驱动单元)2的控制信号配合开关积分器5解决罗氏线圈1的直流偏置问题，很好地实现了IGCT多脉冲直流阳极电流的检测和保护。

实施例2

一种基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测方法的具体实施例，IGCT包括GCT 100和门驱单元2，IGCT阳极电流检测方法包括以下步骤：

S101)在门驱单元2与GCT 100的接口处布置罗氏线圈1；

S102)在门驱单元2上设置电流检测电路4，将电流检测电路4与罗氏线圈1相连；

S103)当IGCT工作时，电流检测电路4检测到IGCT阳极电流出现过流，则由门驱单元2向GCT 100发出关断信号。

同时，将门驱单元2与GCT 100的门极14和阴极12集成在一起，使IGCT阳极电流贯穿门驱单元2的接口内部，门驱单元2与阴极12保持同一电势。

在步骤S103)中，电流检测电路4的检测过程进一步包括以下步骤：

罗氏线圈1输出的IGCT阳极电流感应信号经过积分处理后再进行放大处理。经过放大处理的电压信号与设定的参考电压进行比较，根据比较结果判断是否发生IGCT阳极电流过流。当检测到发生IGCT阳极电流过流时，由门驱单元2实现IGCT过流关断功能，同时反馈故障信号至外部的上位机。本发明实施例2描述的技术方案提出一种IGCT阳极电流检测方法，实现了快速、精确的IGCT阳极电流检测，通过设定过流点并直接由门驱单元2执行IGCT过流关断功能，同时反馈过流故障信号至上位机。

在门驱单元2上还设置与电流检测电路4相连的控制电路3，当电流检测电路4检测到IGCT阳极电流过流时，由控制电路3控制GCT 100实现IGCT过流关断功能，步骤S103)进一步包括：

S1031)当IGCT开始工作后判断控制电路3的复位信号RESET是否有效；

S1032)如果复位信号RESET有效，则保持对罗氏线圈1输出的IGCT阳极电流感应信号进行积分的状态；

S1033)如果复位信号RESET无效，则判断IGCT开通有效信号CS_ok是否有效；

S1034)如果IGCT开通有效信号CS_ok有效，则对积分结果进行清零；

S1035)如果IGCT开通有效信号CS_ok无效，则保持对罗氏线圈1输出的IGCT阳极电流感应信号进行积分的状态。

步骤S103)进一步包括：

当IGCT阳极电流出现过流时，门驱单元2保持过流状态。

门驱单元2采用多层结构的PCB板15(如附图2、3和4所示的实施例采用6层PCB板结构)，步骤S101)进一步包括：

将罗氏线圈1布置于PCB板15内相邻的两个中间层，两个中间层包括第二中间层18，以及位于第二中间层18下部的第三中间层19，即如附图3和4中所示的第二中间层(Mid-Layer2)18和第三中间层(Mid-Layer3)19。罗氏线圈1也可以布置于PCB板15内两个彼此不相邻的中间层。

步骤S101)进一步包括：

在两个中间层(Mid-Layer2和Mid-Layer3)之间设置线圈埋孔8，以GCT 100的中心为基点，罗氏线圈1从进线端围绕GCT 100走线一周后从出线端引出。罗氏线圈1在围绕GCT100走线的同时通过线圈埋孔8来回穿插过渡于两个中间层(Mid-Layer2和Mid-Layer3)。

步骤S101)进一步包括：

罗氏线圈1从出线端引出后，再次以GCT 100的中心为基点，从出线端反向围绕GCT100一周后从进线端引出形成回线，以减小罗氏线圈1外电流的垂直干扰，使罗氏线圈1与GCT 100之间的互感保持恒定，如附图6所示。

步骤S101)进一步包括：

罗氏线圈1从进线端进入，自位于第二中间层(Mid-Layer2)18，并临近于圆环形区域M的外圈25的起始点A经过一次折弯到达拐点B，并从拐点B沿GCT 100的径向延伸至临近于圆环形区域M的内圈24的过渡点C，再从过渡点C经线圈埋孔8穿孔至第三中间层(Mid-Layer3)19后沿过渡点C与拐点B之间的路径反向折回至与起始点A位于同一外圈25的第二起始点D，如附图5所示。按照上述方式走线直至罗氏线圈1环绕GCT 100一周。

步骤S101)进一步包括：

S1011)根据PCB板15的加工工艺设定位于内圈24的线圈埋孔8的最小间距；

S1012)通过最小间距计算出相邻两个位于内圈24的线圈埋孔8的到GCT 100中心处连线的夹角β；

S1013)通过夹角β计算出整个圆环形区域M的内圈24可放置的最大线圈埋孔8数量，从而得到罗氏线圈1的匝数N＝360/β；

S1014)进行罗氏线圈1的走线，罗氏线圈1在两个中间层上，沿PCB板15厚度方向对称布置，每匝罗氏线圈1的延伸焦点位于GCT 100的中心。穿过罗氏线圈1轴心的IGCT阳极电流产生的磁通垂直通过每匝罗氏线圈1，以消除罗氏线圈1外干扰电流的影响，当罗氏线圈1外存在干扰电流影响时，这种对称结构也可大幅抵消干扰。

步骤S101)进一步包括：

在位于第二中间层18上部的第一中间层(Mid-Layer1)17，以及位于第三中间层19下部的第四中间层(Mid-Layer4)20上布置屏蔽层9，并在两个屏蔽层9之间设置屏蔽层埋孔10。如附图7所示，在第一中间层(Mid-Layer1)17和第四中间层(Mid-Layer4)20均布置铜箔材质的屏蔽层9。

步骤S101)进一步包括：

将罗氏线圈1布置于门驱单元2与GCT 100接口处的圆环形区域M，并将临近于外圈25的线圈埋孔8布置于临近于内圈24的相邻两个线圈埋孔8的中垂线H位置上。

本发明实施例2描述的IGCT阳极电流检测方法以设置于PCB板15的罗氏线圈1作为电流感应手段，将罗氏线圈1均匀分布在GCT 100与门驱单元2的圆环形接口四周，并在门驱单元2的PCB板15的内层走线。罗氏线圈1的感应信号检测、处理电路布置在门驱单元2上，电流检测电路4采用双开关结构的积分器5，一个开关SW1设置在输入端，另一个开关SW2与积分电容C_C并联，积分器5的开关信号由门驱单元2控制，由门驱单元2根据过流信号执行IGCT关断动作。

通过实施本发明具体实施例描述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置及方法的技术方案，能够产生如下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置及方法对IGCT阳极电流的检测无需上位机参与，通过门驱单元直接关断GCT，不会产生关断时延，从而完全避免了时延期间IGCT电流持续增加，引起IGCT关断时电流超过额定致使关断失败的现象；

(2)本发明具体实施例描述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置及方法直接在门驱单元上实现IGCT阳极电流检测，无须外加其它配件、接口，无需隔离，时延少、成本低、体积小、可靠性高，在IGCT变流领域为首创，现有产品及系统均无此项功能；

(3)本发明具体实施例描述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置及方法利用罗氏线圈进行IGCT阳极电流检测，完全不受被测物的精度限制，检测结果精度高，同时解决了传统罗氏线圈的直流偏置问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (24)

1.一种基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置，IGCT包括GCT(100)和门驱单元(2)，其特征在于，所述装置包括：

布置于所述门驱单元(2)与所述GCT(100)接口处的罗氏线圈(1)；

设置于所述门驱单元(2)上的电流检测电路(4)，所述电流检测电路(4)与所述罗氏线圈(1)相连，当所述电流检测电路(4)检测到IGCT阳极电流出现过流，则由所述门驱单元(2)向所述GCT(100)发出关断信号。

2.根据权利要求1所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置，其特征在于：所述门驱单元(2)与所述GCT(100)的门极(14)和阴极(12)集成在一起，IGCT阳极电流贯穿所述门驱单元(2)的接口内部，所述门驱单元(2)与所述阴极(12)保持同一电势。

3.根据权利要求1或2所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置，其特征在于：所述门驱单元(2)采用多层结构的PCB板(15)，所述PCB板(15)包括顶层(16)、底层(21)，以及位于所述顶层(16)与底层(21)之间的至少两个中间层，所述罗氏线圈(1)布置于所述PCB板(15)的两个中间层。

4.根据权利要求3所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置，其特征在于：所述罗氏线圈(1)以所述GCT(100)的中心为基点，从进线端围绕所述GCT(100)走线一周后从出线端引出，所述罗氏线圈(1)在围绕所述GCT(100)走线的同时通过设置于两个中间层之间的线圈埋孔(8)来回穿插过渡于两个中间层。

5.根据权利要求4所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置，其特征在于：所述罗氏线圈(1)从出线端引出后，再次以所述GCT(100)的中心为基点，从所述出线端反向围绕所述GCT(100)一周后从进线端引出形成回线，以减小所述罗氏线圈(1)外电流的垂直干扰，使所述罗氏线圈(1)与所述GCT(100)之间的互感保持恒定。

6.根据权利要求4或5所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置，其特征在于：所述两个中间层包括第二中间层(18)，以及位于所述第二中间层(18)下部的第三中间层(19)；所述罗氏线圈(1)布置于所述门驱单元(2)与所述GCT(100)接口处的圆环形区域，所述罗氏线圈(1)从进线端进入，自位于所述第二中间层(18)，并临近于所述圆环形区域的外圈(25)的起始点(A)经过一次折弯到达拐点(B)，并从所述拐点(B)沿所述GCT(100)的径向延伸至临近于所述圆环形区域的内圈(24)的过渡点(C)，再从所述过渡点(C)经所述线圈埋孔(8)穿孔至所述第三中间层(19)后沿所述过渡点(C)与拐点(B)之间的路径反向折回至与所述起始点(A)位于同一外圈(25)的第二起始点(D)，以上述方式走线直至所述罗氏线圈(1)环绕所述GCT(100)一周。

7.根据权利要求6所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置，其特征在于：临近于所述外圈(25)的所述线圈埋孔(8)布置于临近于所述内圈(24)的相邻两个线圈埋孔(8)的中垂线(H)位置上。

8.根据权利要求7所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置，其特征在于：在位于所述第二中间层(18)上部的第一中间层(17)，以及位于所述第三中间层(19)下部的第四中间层(20)上还布置有屏蔽层(9)，在两个所述屏蔽层(9)之间设置有屏蔽层埋孔(10)。

9.根据权利要求1、2、4、5、7或8中任一项所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置，其特征在于：所述门驱单元(2)上还设置有控制电路(3)，以及与所述控制电路(3)相连的开通电路(22)和关断电路(23)；所述控制电路(3)接收外部的IGCT开关控制信号，并通过所述开通电路(22)开通所述GCT(100)，或通过所述关断电路(23)关断所述GCT(100)。

10.根据权利要求9所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置，其特征在于：所述电流检测电路(4)进一步包括依次相连的积分器(5)、放大器(6)和比较器(7)；所述罗氏线圈(1)输出的IGCT阳极电流感应信号经过所述积分器(5)进行积分处理后由所述放大器(6)进行放大处理；放大处理后的信号经所述比较器(7)与设定的参考电压进行比较后输出信号至所述控制电路(3)；当检测到IGCT阳极电流过流时，由所述控制电路(3)通过所述关断电路(23)实现IGCT过流关断功能。

11.根据权利要求10所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置，其特征在于：在所述积分器(5)的运算放大器的输入正端与输出端之间设置有积分电容(Cc)，在所述运算放大器的输入正端连接有积分保持开关(SW1)，在所述积分电容(Cc)的两端并联有复位开关(SW2)；所述积分保持开关(SW1)用于实现积分电容保持，在IGCT阳极电流出现过流时使所述门驱单元(2)保持过流状态，所述复位开关(SW2)用于实现积分电容清零。

12.根据权利要求11所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测装置，其特征在于：所述控制电路(3)开始工作后判断复位信号(RESET)是否有效，如果所述复位信号(RESET)有效，则连通所述积分保持开关(SW1)，并断开所述复位开关(SW2)；如果所述复位信号(RESET)无效，则判断IGCT开通有效信号(CS_ok)是否有效；如果IGCT开通有效信号(CS_ok)有效，则断开所述积分保持开关(SW1)，并连通所述复位开关(SW2)；如果IGCT开通有效信号(CS_ok)无效，则连通所述积分保持开关(SW1)，并断开所述复位开关(SW2)。

13.一种基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测方法，IGCT包括GCT(100)和门驱单元(2)，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S101)在所述门驱单元(2)与所述GCT(100)的接口处布置罗氏线圈(1)；

S102)在所述门驱单元(2)上设置电流检测电路(4)，将所述电流检测电路(4)与所述罗氏线圈(1)相连；

S103)当所述IGCT工作时，所述电流检测电路(4)检测到IGCT阳极电流出现过流，则由所述门驱单元(2)向所述GCT(100)发出关断信号。

14.根据权利要求13所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测方法，其特征在于，在所述步骤S103)中，所述电流检测电路(4)的检测过程进一步包括以下步骤：

所述罗氏线圈(1)输出的IGCT阳极电流感应信号经过积分处理后再进行放大处理；经过放大处理的电压信号与设定的参考电压进行比较，根据比较结果判断是否发生IGCT阳极电流过流；当检测到发生IGCT阳极电流过流时，由所述门驱单元(2)实现IGCT过流关断功能，同时反馈故障信号至外部的上位机。

15.根据权利要求14所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测方法，其特征在于，在所述门驱单元(2)上还设置与所述电流检测电路(4)相连的控制电路(3)，当所述电流检测电路(4)检测到IGCT阳极电流过流时，由所述控制电路(3)控制所述GCT(100)实现IGCT过流关断功能，所述步骤S103)进一步包括：

S1031)当所述IGCT开始工作后判断所述控制电路(3)的复位信号(RESET)是否有效；

S1032)如果复位信号(RESET)有效，则保持对所述罗氏线圈(1)输出的IGCT阳极电流感应信号进行积分的状态；

S1033)如果所述复位信号(RESET)无效，则判断IGCT开通有效信号(CS_ok)是否有效；

S1034)如果IGCT开通有效信号(CS_ok)有效，则对积分结果进行清零；

S1035)如果IGCT开通有效信号(CS_ok)无效，则保持对所述罗氏线圈(1)输出的IGCT阳极电流感应信号进行积分的状态。

16.根据权利要求13、14或15中任一项所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测方法，其特征在于：将所述门驱单元(2)与所述GCT(100)的门极(14)和阴极(12)集成在一起，使IGCT阳极电流贯穿所述门驱单元(2)的接口内部，所述门驱单元(2)与所述阴极(12)保持同一电势。

17.根据权利要求16所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测方法，其特征在于，所述步骤S103)进一步包括：

当IGCT阳极电流出现过流时，所述门驱单元(2)保持过流状态。

18.根据权利要求13、14、15或17中任一项所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测方法，其特征在于，所述门驱单元(2)采用多层结构的PCB板(15)，所述PCB板(15)包括顶层(16)、底层(21)，以及位于所述顶层(16)与底层(21)之间的至少两个中间层，所述步骤S101)进一步包括：

将所述罗氏线圈(1)布置于所述PCB板(15)的两个中间层。

19.根据权利要求18所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测方法，其特征在于，所述步骤S101)进一步包括：

在所述的两个中间层之间设置线圈埋孔(8)，以所述GCT(100)的中心为基点，所述罗氏线圈(1)从进线端围绕所述GCT(100)走线一周后从出线端引出；所述罗氏线圈(1)在围绕所述GCT(100)走线的同时通过所述线圈埋孔(8)来回穿插过渡于两个中间层。

20.根据权利要求19所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测方法，其特征在于，所述步骤S101)进一步包括：

所述罗氏线圈(1)从出线端引出后，再次以所述GCT(100)的中心为基点，从所述出线端反向围绕所述GCT(100)一周后从进线端引出形成回线，以减小所述罗氏线圈(1)外电流的垂直干扰，使所述罗氏线圈(1)与所述GCT(100)之间的互感保持恒定。

21.根据权利要求20所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测方法，其特征在于，所述两个中间层包括第二中间层(18)，以及位于所述第二中间层(18)下部的第三中间层(19)，所述步骤S101)进一步包括：

将所述罗氏线圈(1)布置于所述门驱单元(2)与所述GCT(100)接口处的圆环形区域，；所述罗氏线圈(1)从进线端进入，自位于所述第二中间层(18)，并临近于所述圆环形区域的外圈(25)的起始点(A)经过一次折弯到达拐点(B)，并从所述拐点(B)沿所述GCT(100)的径向延伸至临近于圆环形区域的内圈(24)的过渡点(C)，再从所述过渡点(C)经所述线圈埋孔(8)穿孔至所述第三中间层(19)后沿所述过渡点(C)与拐点(B)之间的路径反向折回至与所述起始点(A)位于同一外圈(25)的第二起始点(D)；按照上述方式走线直至所述罗氏线圈(1)环绕所述GCT(100)一周。

22.根据权利要求19、20或21中任一项所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测方法，其特征在于，所述步骤S101)进一步包括：

S1011)根据PCB板(15)的加工工艺设定位于所述内圈(24)的线圈埋孔(8)的最小间距；

S1012)通过最小间距计算出相邻两个位于所述内圈(24)的线圈埋孔(8)的到所述GCT(100)中心处连线的夹角β；

S1013)通过夹角β计算出整个圆环形区域的内圈(24)可放置的最大线圈埋孔(8)数量，从而得到所述罗氏线圈(1)的匝数N；

S1014)进行罗氏线圈(1)的走线，所述罗氏线圈(1)在两个中间层上，沿所述PCB板(15)厚度方向对称布置，每匝罗氏线圈(1)的延伸焦点位于所述GCT(100)的中心；穿过所述罗氏线圈(1)轴心的IGCT阳极电流产生的磁通垂直通过每匝罗氏线圈(1)，以消除所述罗氏线圈(1)外干扰电流的影响。

23.根据权利要求22所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测方法，其特征在于，所述步骤S101)进一步包括：

在位于所述第二中间层(18)上部的第一中间层(17)，以及位于所述第三中间层(19)下部的第四中间层(20)上布置屏蔽层(9)，并在两个所述屏蔽层(9)之间设置屏蔽层埋孔(10)。

24.根据权利要求19、20、21或23中任一项所述的基于罗氏线圈的IGCT阳极电流检测方法，其特征在于，所述步骤S101)进一步包括：

将临近于所述外圈(25)的所述线圈埋孔(8)布置于临近于所述内圈(24)的相邻两个线圈埋孔(8)的中垂线(H)位置上。