CN108983079A - 故障检测装置、系统及方法 - Google Patents

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Abstract

一种开关开路故障的检测装置包括多匝线圈和控制器。该多匝线圈与单匝线圈电磁耦合，该单匝线圈与所述开关串联，该多匝线圈用于对流经所述单匝线圈和所述开关的电流进行检测，以输出表征该电流变化情况的第一信号。该控制器用于基于所述第一信号来判断所述开关是否开路。本发明的实施例还涉及开关开路故障的检测方法，及用于开关电路的故障检测系统和方法。

Description

故障检测装置、系统及方法
技术领域
本发明的实施例涉及故障检测的装置、系统及方法，特别是用于开关及开关电路的故障检测装置、系统和方法。
背景技术
开关在使用或运行的过程中，容易发生开路故障，从而对整个电路的正常工作造成影响，因而需要用开路故障检测装置来对开关的开路故障进行及时检测。
在一些现有技术中，通过检测电机的相电流来判断开关是否发生开路故障，但是这种方法会产生一定的延迟，所以检测速度较慢。
在其他现有技术中，在安装故障检测装置时，需要对原电路进行一定改造，这种方式成本较高，且通用性较差。
因此，有必要提供新的故障检测的装置、系统及方法来解决上述至少一个问题。
发明内容
本发明的实施例一方面涉及一种开关开路故障的检测装置。该检测装置包括多匝线圈和控制器。该多匝线圈与单匝线圈电磁耦合，该单匝线圈与所述开关串联，该多匝线圈用于对流经所述单匝线圈和所述开关的电流进行检测，以输出表征该电流变化情况的第一信号。该控制器用于基于所述第一信号来判断所述开关是否开路。
本发明的实施例另一方面涉及一种用于开关电路的故障检测系统，其中，该开关电路包括开关和耦合于该开关栅极的栅极驱动器。该故障检测系统包括驱动器检测装置和开关检测装置；其中，该驱动器检测装置与该栅极驱动器相耦合，用于检测该栅极驱动器的故障；该开关检测装置用于检测所述开关的开路故障。该开关检测装置包括多匝线圈和控制器。该多匝线圈与单匝线圈电磁耦合，该单匝线圈与所述开关串联，该多匝线圈用于对流经所述单匝线圈和所述开关的电流进行检测，以输出表征该电流变化情况的第一信号。该控制器用于基于所述第一信号来判断所述开关是否开路。
本发明的实施例另一方面涉及一种开关开路故障的检测方法。该方法包括：用多匝线圈检测流经所述开关的电流，以得到表征该电流变化情况的第一信号，其中，该开关与单匝线圈串联，该多匝线圈与该单匝线圈电磁耦合；及基于所述第一信号判断所述开关是否开路。
本发明的实施例另一方面涉及一种用于开关电路的故障检测方法，其中，该开关电路包括开关和耦合于该开关栅极的栅极驱动器。该故障检测方法包括：检测该栅极驱动器是否发生故障；及如果该栅极驱动器未发生故障，检测该开关是否开路。该检测开关是否开路的步骤包括：用多匝线圈检测流经该开关的电流，以得到表征该电流变化情况的第一信号，其中，该多匝线圈与单匝线圈电磁耦合，该单匝线圈与所述开关串联，及根据所述第一信号判断该开关是否开路。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，本发明的这些和其它特征、方面及优点将变得更好理解，在附图中，相同的元件标号在全部附图中用于表示相同的部件，其中：
图1为根据本发明一具体实施例的开关开路故障的检测装置的示意图；
图2为根据本发明一具体实施例的印制在电路板上的多匝线圈的示意图；
图3为根据本发明的一具体实施例的用于开关电路的故障检测系统的示意图；
图4为根据本发明的一具体实施例的开关开路故障的检测方法的流程示意图；及
图5为根据本发明的一具体实施例的用于开关电路的故障检测方法的流程示意图。
具体实施方式
为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。
除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
本发明的实施例涉及一种用于检测开路故障的装置，其可被广泛应用于开关电路中，可快速、准确地检测出开关器件的开路故障。
图1为根据本发明一具体实施例的开关开路故障的检测装置100的示意图。参见图1，开关201与单匝线圈202串联，使得流经单匝线圈202的电流I即为流经开关201的电流。在一些实施例中，开关201为场效应晶体管，单匝线圈202与开关201的漏极或源极连接；或者，开关201为绝缘栅双极型晶体管，单匝线圈202与开关201的集电极或发射极连接。
检测装置100包括多匝线圈110和控制器130。多匝线圈110对流经单匝线圈202和开关201的电流I进行检测，以输出第一信号，该第一信号可表征电流I的变化情况。如图1所示，多匝线圈110靠近于单匝线圈202，且多匝线圈110与单匝线圈202电磁耦合，用于对流经单匝线圈202和开关201的电流I进行检测。这里提到的“电磁耦合”是指当单匝线圈202中的电流发生变化时，会在多匝线圈110中产生感应电动势，所以通过监测多匝线圈110可以检测单匝线圈202中的电流变化。
在一些实施例中，单匝线圈可为与开关201串联的导线，多匝线圈110被放置在靠近于该导线的位置，例如：多匝线圈110与该导线相邻，从而使得多匝线圈110与该导线电磁耦合。
控制器130用于基于该第一信号来判断开关201是否开路。例如：当第一信号显示电流I骤变为0时，控制器130判断开关201出现开路故障。
在一些实施例中，检测装置100还包括信号整形电路120，其耦合在多匝线圈110和控制器130之间。具体地，信号整形电路120的输入端并联在多匝线圈110的两端，信号整形电路120的输出端与控制器130相耦合，信号整形电路120从该输入端接收第一信号，将该第一信号整形或变换，然后将整形或变换后的第二信号从该输出端输出给控制器130。该第二信号的波形用于表征流经开关201的电流I的波形，例如：该第二信号的波形与电流I的波形相似，因此其可直接显示电流I的变化情况。在一些实施例中，第一、第二信号为电压信号。
在一些实施例中，信号整形电路包括积分电路，其用于对所述第一信号进行积分运算，以得到所述第二信号。例如，如图1所示，积分电路包括120包括第一电阻R1、第二电阻R2、电容C1及运算放大器。第一电阻R1并联在多匝线圈110两端，第二电阻R2耦合在多匝线圈110的第一端与运算放大器的反相输入端之间，电容C1耦合在该运算放大器的反相输入端和输出端之间，该运算放大器的同相输入端与该多匝线圈的第二端耦合。
在一些实施例中，控制器130将第二信号的波形与一预设波形进行比较，以产生比较结果，且用于根据该比较结果判断该开关是否开路。具体地，当该第二信号的波形与该预设波形不一致时，控制器130判断开关201出现开路故障。在一些实施例中，该预设波形为正弦波波形。
在一些实施例中，多匝线圈被印制在电路板上，形成印刷电路板。假设电路板厚度方向上的中部有一虚拟的中心线，该中心线沿大致平行于电路板上、下表面的方向在电路板内部延伸。多匝线圈围绕该中心线螺旋地延伸，且沿该中心线方向从该中心线的第一端延伸至第二端。这里提到的“中心线”可能为直线或者曲线，其是为了便于表述多匝线圈的结构而虚设的线，不一定是真实存在的线。
图2为根据本发明一具体实施例的印制在电路板709上的多匝线圈701的示意图。如图2所示，在电路板的内部有一虚拟的中心线708，其沿大致平行于电路板上、下表面的方向在电路板内部延伸形成一环形，多匝线圈701围绕中心线708螺旋地延伸。
具体地，多匝线圈701具有输出端702，其包括端子A和B，多匝线圈701包括在端子A和B之间延伸的连续线路。该线路从端子A开始在电路板709的上表面延伸至位于上表面的C1点，再通过设置在C1点的导孔707延伸至位于电路板下表面的C2点，之后在下表面上从C2点向C3点延伸(在图2中用虚线示出)，然后通过设置在C3点的导孔延伸至位于电路板上表面的C4点，之后在电路板上表面上从C4点延伸至C5点，以此类推，多匝线圈以类似的方式依次通过C6、C7、C8、C9……延伸至端子B。这里提及的“导孔”是指在电路板的厚度方向上贯穿该电路板的通孔，该通孔的内壁上涂有金属材料，该金属材料用于连接电路板上下表面的、与该通孔的两端相连的线路。
在一些实施例中，单匝线圈与也被印制在电路板上。单匝线圈和多匝线圈可被印制在同一块电路板上，如图2所示，单匝线圈802沿大致垂直于电路板709上、下表面的方向上延伸，并设置在该环形内，被该环形包围着，从而多匝线圈701与单匝线圈802电磁耦合。在其他实施例中，单匝线圈和多匝线圈可被印制在不同的电路板上。本发明的实施例涉及的多匝线圈和单匝线圈的印制方式及它们之间的耦合方式不限于图2所示的方式，还包括其他任何能够使印制在电路板上的多匝、单匝线圈互相电磁耦合的方式。
本发明通过将多匝线圈与单匝线圈(导线)电磁耦合的方式，来直接检测流经开关的电流的变化情况，这种方式不但可靠性较高，更能够提高检测速度。另外，由于其是通过电磁耦合的方式与原电路耦合，所以不需要改变原来的电路结构就能准确地检测出开关的开路故障，省去了电路改造费用，从而能够大大降低整体的运行成本。
本发明的实施例还涉及一种用于开关电路的故障检测系统，其可先对开关的栅极驱动器的故障进行检测和排除，再判断开关是否发生开路故障。故障检测系统包括驱动器检测装置和开关检测装置，分别用于检测栅极驱动器故障和开关的开路故障。
图3为根据本发明一具体实施例的用于开关电路的故障检测系统300的示意图。开关电路的部分如图3所示，开关电路包括两个开关单元410和420，其共同构成一桥臂单元。每个开关单元410或420包括开关411或421、与该开关串联的单匝线圈412或422、耦合于开关栅极的栅极驱动器413或423。
故障检测系统包括：开关检测装置311、321，驱动器检测装置312、322，及控制器330。驱动器检测装置312、322分别耦合于栅极驱动器413、423，分别用于检测栅极驱动器413、423的故障。
开关检测装置311、321分别与单匝线圈412、422电磁耦合，用于检测相应开关的开路故障。每个开关检测装置具体结构与图1中所示的开关开路故障的检测装置100相类似，此处不再赘述。
由于栅极驱动器的故障也可能导致流经开关的电流骤变为零，此时，无法判断是栅极驱动器出现故障还是开关本身出现故障，因而，在一些实施例中，开关检测装置用于在相应的驱动器检测装置未检测出故障的情况下检测相应的开关，其目的是为了先排除栅极驱动器的故障，在栅极驱动器无故障的情况下，检测开关是否发生故障，这样能够提高检测的准确性，减少误判。
本发明的实施例还涉及开关开路故障的检测方法。在该方法中，首先用多匝线圈检测流经所述开关的电流，得到到表征该电流变化情况的第一信号，然后基于该第一信号判断该开关是否开路。具体地，参见图4，方法910包括步骤911至步骤914。
在步骤911中，用多匝线圈检测流经所述开关的电流，以得到表征该电流变化情况的第一信号，其中，该开关与单匝线圈串联，该多匝线圈与该单匝线圈电磁耦合。
在步骤912中，将该第一信号整形以得到第二信号，该第二信号的波形可表征流经所述开关的电流波形。在一些实施例中，步骤912包括对第一信号进行积分运算的步骤。
在步骤913中，将该第二信号的波形与预设波形进行比较，判断第二信号的波形与预设波形是否一致，以得到比较结果。
在步骤914中，根据该比较结果判断所述开关是否开路。具体地，当该第二信号的波形与该预设波形不一致时，判断开关201出现开路故障。
本发明的实施例还涉及用于开关电路的故障检测方法，其中，该开关电路包括开关和耦合于该开关栅极的栅极驱动器。具体地，参见图5，用于开关电路的故障检测方法920包括步骤921-923。
在步骤921中，检测该栅极驱动器是否发生故障。
如果该栅极驱动器发生故障，则执行步骤922，即：对栅极驱动器的故障进行解除，如：修理或更换栅极驱动器。在栅极驱动器的故障解除之后，再次执行步骤921，即：对该栅极驱动器进行检测。
如果该栅极驱动器未发生故障，则执行步骤923，即：检测该开关是否开路。检测开关的步骤类似于图4中所示的开关开路故障的检测方法910，此处不再赘述。
虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (11)

1.一种开关开路故障的检测装置，包括：
多匝线圈，其与单匝线圈电磁耦合，该单匝线圈与所述开关串联，该多匝线圈用于对流经所述单匝线圈和所述开关的电流进行检测，以输出表征该电流变化情况的第一信号；及
控制器，用于基于所述第一信号来判断所述开关是否开路。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：并联在所述多匝线圈两端的信号整形电路，其用于接收该第一信号，将该第一信号整形，以输出第二信号，该第二信号的波形可表征流经所述开关的电流波形。
3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述信号整形电路包括积分电路，其用于对所述第一信号进行积分运算，以得到所述第二信号。
4.根据权利要求2所述的装置，其中，该控制器用于将该第二信号的波形与预设波形进行比较，以产生比较结果，且用于根据该比较结果判断该开关是否开路。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多匝线圈被印制在电路板上。
6.一种用于开关电路的故障检测系统，该开关电路包括开关和耦合于该开关栅极的栅极驱动器，该故障检测系统包括：
驱动器检测装置，与该栅极驱动器相耦合，用于检测该栅极驱动器的故障；及
开关检测装置，用于检测所述开关的开路故障，该开关检测装置包括：
多匝线圈，其与单匝线圈电磁耦合，该单匝线圈与所述开关串联，该多匝线圈用于对流经所述单匝线圈和所述开关的电流进行检测，以输出表征该电流变化情况的第一信号，及
控制器，用于基于所述第一信号来判断所述开关是否开路。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述开关检测装置用于在所述驱动器检测装置未检测出故障的情况下，检测该开关。
8.一种开关开路故障的检测方法，包括：
用多匝线圈检测流经所述开关的电流，以得到表征该电流变化情况的第一信号，其中，该开关与单匝线圈串联，该多匝线圈与该单匝线圈电磁耦合；及
基于所述第一信号判断所述开关是否开路。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：将该第一信号整形以得到第二信号，该第二信号的波形可表征流经所述开关的电流波形。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述判断的步骤包括：
将该第二信号的波形与预设波形进行比较，以得到比较结果；及
根据该比较结果判断所述开关是否开路。
11.一种用于开关电路的故障检测方法，其中，该开关电路包括开关和耦合于该开关栅极的栅极驱动器，该故障检测方法包括：
检测该栅极驱动器是否发生故障；及
如果该栅极驱动器未发生故障，检测该开关是否开路，该步骤包括：
用多匝线圈检测流经该开关的电流，以得到表征该电流变化情况的第一信号，其中，该多匝线圈与单匝线圈电磁耦合，该单匝线圈与所述开关串联，及
根据所述第一信号判断该开关是否开路。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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Application publication date: 20181211

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