CN110208670A - 串联晶闸管的快速故障检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联晶闸管的快速故障检测装置。晶闸管在原电路系统中两端并联均压电阻，高压隔离开关的正极分别连接在均压电阻的两端，用于隔离晶闸管工作时两端的高压；开关控制机构连接在高压隔离开关的控制端，当晶闸管放电结束后控制高压隔离开关闭合开始故障检测；电压比较机构得到均压电阻两端的电压差值并与参考电压进行比较，最终故障诊断机构根据电压比较机构输出的比较结果判断晶闸管是否击穿；辅助电源用于给晶闸管回路提供检测电压。本发明能够为多模块串联晶闸管提供快速、简便的故障检测电路，防止晶闸管在故障时继续工作造成的危害。

Description

串联晶闸管的快速故障检测装置

技术领域

本发明涉及脉冲功率电源的测量技术领域，具体地说，是一种串联晶闸管/可控硅的故障检测装置。

背景技术

随着脉冲功率电源技术的发展，炮弹的发射频次要求越来越高，目前脉冲功率源的重复频率已可以达到一分钟6次，在未来还要实现更高频次。在这种高要求下，晶闸管在应用过程中的可靠性显得尤为重要。在串联晶闸管阀中，如果一个晶闸管被击穿，其门极就失去了控制作用，晶闸管两端电压几乎为零，必然导致剩余晶闸管承受更高的电压，增加了其他晶闸管击穿的风险。在不知道晶闸管是否正确导通或是否有损坏的情况下继续进行实验，将会影响实验效果甚至威胁到实验人员的人身安全，因此要时刻检测和反馈晶闸管的状态。

目前已有的晶闸管故障带电检测方法大都是对于晶闸管的动态检测，通过获取晶闸管阴阳极两端的电压值来判断晶闸管的状态。在脉冲功率电源系统中，晶闸管两端的高压难以直接测得，现有方法采用分压器或通过光电转换来获取晶闸管阴阳极两端的电压。公开号为CN108828421的专利公开了一种晶闸管故障检测系统及方法，先在晶闸管上施加正向电压，通过驱动信号和晶闸管输出电压信号的状态判断晶闸管是否存在故障。动态检测电路复杂，需要通过触发晶闸管来判断晶闸管是否击穿，且成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种串联晶闸管的快速故障检测装置。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种串联晶闸管的快速故障检测装置，包括高压隔离开关、开关控制机构、电压比较机构、故障诊断机构和辅助电源；

高压隔离开关的正极分别连接在与晶闸管并联的均压电阻的两端，负极与电压比较机构的输入端电连接，用于隔离晶闸管原电路与检测电路，防止高电压对检测电路造成的影响；

开关控制机构与高压隔离开关的控制端电连接，用于控制高压隔离开关的关断；

电压比较机构的输入端与高压隔离开关的负极电连接，输出端与故障诊断机构电连接，用于检测均压电阻两端的电压差值并与参考电压进行比较；

故障诊断机构与电压比较机构的输出端电连接，用于采集电压比较机构的输出结果并根据输出逻辑值判断晶闸管是否击穿；

辅助电源的正极连接高压隔离开关的第一级开关的负极，用于给晶闸管回路提供检测电压。

优选的，所述高压隔离开关为真空开关。

优选的，所述高压隔离开关为常开型开关。

优选的，所述电压比较机构包括电压检测机构和比较检测机构；

所述电压检测机构的输入端分别连接在相邻两个高压隔离开关的负极，输出端与所述比较检测机构的输入端电连接，用于检测均压电阻两端的电压差；

所述比较检测机构的输出端与所述故障诊断机构电连接，用于比较电压差值与参考电压值。

优选的，所述电压检测机构包括第一运算放大器AR1、第二运算放大器AR2、第三运算放大器AR3、第一电阻R5、第二电阻R6、第三电阻R7和第四电阻R8。

所述第一运算放大器AR1的反向输入端与其输出端电连接，同向输入端与所述次级高压隔离开关电连接，输出端与所述第一电阻R5的一端电连接；

所述第二运算放大器AR2的反向输入端与其输出端电连接，同向输入端与所述高级高压隔离开关电连接，输出端与所述第三电阻R7的一端电连接；

所述第三运算放大器AR3的反向输入端与所述第一电阻R5、第二电阻R6的一端电连接，同向输入端与所述第三电阻R7、第四电阻R8的一端电连接，输出端与所述比较检测机构的输入端电连接；

所述第一电阻R5的一端与所述第一运算放大器AR1的输出端电连接，另一端与所述第三运算放大器AR3的反向输入端电连接；

所述第二电阻R6的一端与所述第三运算放大器AR3的反向输入端电连接，另一端与所述第三运算放大器AR3的输出端电连接；

所述第三电阻R7的一端与所述第二运算放大器AR2的输出端电连接，另一端与所述第三运算放大器AR3的同向输入端电连接；

所述第四电阻R8的一端与所述第三运算放大器AR3的同向输入端电连接，另一端接地。

优选的，所述比较检测机构为电压比较器。

优选的，所述故障诊断机构为CPU。

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明通过真空开关隔离晶闸管在工作状态两端产生的高压，晶闸管工作结束后，再闭合真空开关，控制辅助电源上电，比较晶闸管并联的均压电阻两端产生的电压差值与参考电压值，将比较结果传输给故障诊断机构，判别晶闸管是否损坏，防止晶闸管在故障时继续工作造成的进一步器件损坏。是一种对晶闸管故障检测的静态检测方法，无需反复触发晶闸管，检测速度快，结构简单。

附图说明

图1为本发明串联晶闸管的快速故障检测装置的系统图。

图2为本发明一实施例中高压隔离开关连接的原理图。

图3为本发明一实施例中电压比较机构的电路图。

具体实施方式

本发明通过真空开关隔离晶闸管在工作状态时阴阳极两端的高压，在高重频脉冲功率电源放电实验结束后，闭合真空开关，控制辅助电源上电，对晶闸管上并联的均压电阻的电压进行静态检测，该串联晶闸管的快速故障检测装置能够快速判断晶闸管是否击穿，并及时反馈击穿晶闸管的位置，无需反复触发晶闸管，及时通知实验人员检修，避免造成进一步的器件损坏。

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，一种串联晶闸管的快速故障检测装置，包括高压隔离开关K、开关控制机构U1、电压比较机构、故障诊断机构U4和辅助电源U5。所述高压隔离开关K的正极分别连接在与晶闸管并联的均压电阻的两端，负极与所述电压比较机构的输入端电连接，用于隔离晶闸管原电路与检测电路，防止高电压对检测电路造成的影响；所述开关控制机构U1与所述高压隔离开关K的控制端电连接，用于控制高压隔离开关K的关断；所述电压比较机构的输入端与所述高压隔离开关K的负极电连接，输出端与所述故障诊断机构U4电连接，用于检测均压电阻两端的电压差值并与参考电压进行比较；所述故障诊断机构U4与所述电压比较机构的输出端电连接，用于采集电压比较机构的输出结果并根据输出逻辑值判断晶闸管是否击穿；所述辅助电源U5的正极连接所述高压隔离开关K的第一级开关K1的负极，用于给晶闸管回路提供检测电压。

进一步的实施例中，所述高压隔离开关K为真空开关。

进一步的实施例中，所述高压隔离开关为常开型开关。

进一步的实施例中，所述电压比较机构包括电压检测机构U2和比较检测机构U3。所述电压检测机构U2的输入端分别连接在相邻两个高压隔离开关K的负极，输出端与所述比较检测机构U3的输入端电连接，用于检测均压电阻两端的电压差，并将电压差值传送到比较检测机构U3；所述比较检测机构U3的输出端与所述故障诊断机构U4电连接，用于对电压差值与参考电压值进行比较，最后将比较结果传送给障诊断机构U4。

进一步的实施例中，所述电压检测机构U2包括第一运算放大器AR1、第二运算放大器AR2、第三运算放大器AR3、第一电阻R5、第二电阻R6、第三电阻R7和第四电阻R8。所述第一运算放大器AR1的反向输入端与其输出端电连接，同向输入端与所述次级高压隔离开关电连接，输出端与所述第一电阻R5的一端电连接；所述第二运算放大器AR2的反向输入端与其输出端电连接，同向输入端与所述高级高压隔离开关电连接，输出端与所述第三电阻R7的一端电连接；所述第三运算放大器AR3的反向输入端与所述第一电阻R5、第二电阻R6的一端电连接，同向输入端与所述第三电阻R7、第四电阻R8的一端电连接，输出端与所述比较检测机构U3的输入端电连接；所述第一电阻R5的一端与所述第一运算放大器AR1的输出端电连接，另一端与所述第三运算放大器AR3的反向输入端电连接；所述第二电阻R6的一端与所述第三运算放大器AR3的反向输入端电连接，另一端与所述第三运算放大器AR3的输出端电连接；所述第三电阻R7的一端与所述第二运算放大器AR2的输出端电连接，另一端与所述第三运算放大器AR3的同向输入端电连接；所述第四电阻R8的一端与所述第三运算放大器AR3的同向输入端电连接，另一端接地。

进一步的实施例中，所述比较检测机构U3为电压比较器。

进一步的实施例中，所述故障诊断机构U4为CPU。

如图2所示，在某些实施例中，该串联晶闸管的快速故障检测装置并联在与晶闸管并联的均压电阻上。晶闸管Q1、Q2、Q3依次串联，均压电阻R1、R2、R3分别并联在三个晶闸管上。

其中，高压隔离开关K用于隔离晶闸管在工作状态时两端的高电压，防止高电压对检测电路造成的影响。即均压电阻的两端分别连接一个高压隔离开关K，均压电阻R1的两端分别连接高压隔离开关K1和K2的正极，均压电阻R2的两端分别连接高压隔离开关K2和K3的正极，均压电阻R3的两端分别连接高压隔离开关K3和K4的正极。高压隔离开关K的负极与电压比较机构的输入端电连接。电压比较机构的输出端与故障诊断机构U4电连接。

开关控制机构U1用于控制高压隔离开关K的关断，当高压隔离开关K的控制端断电时，高压隔离开关K断开；高压隔离开关K的控制端供电时，高压隔离开关K闭合；可采用继电器实现对高压隔离开关K的控制端的通断电控制。即开关控制机构U1与高压隔离开关K的控制端电连接。

辅助电源U5用于为串联晶闸管的故障检测回路提供一个低电压，方便对均压电阻两侧的电压进行检测。即辅助电源U5与高压隔离开关K1的负极电连接；高压隔离开关K4的负极直接与电阻R4串联后接地。

如图3所示，在某些实施例中，电压比较机构由四个运算放大器AR1、AR2、AR3、AR4和四个电阻R5、R6、R7、R8（R5=R6=R7=R8）组成。

其中，电压检测机构U2由运算放大器AR1、AR2、AR3和四个电阻R5、R6、R7、R8构成减法运算电路。运算放大器AR1的反向输入端与其输出端电连接，运算放大器AR1的同向输入端与高压隔离开关K2电连接；运算放大器AR2的反向输入端与其输出端电连接，运算放大器AR2的同向输入端与高压隔离开关K1电连接；电阻R5的一端与运算放大器AR1的输出端电连接，另一端与运算放大器AR3的反向输入端电连接；电阻R6的一端与运算放大器AR3的反向输入端电连接，另一端与运算放大器AR3的输出端电连接；电阻R7的一端与运算放大器AR2的输出端电连接，另一端与运算放大器AR3的同向输入端电连接；电阻R8的一端与运算放大器AR3的同向输入端电连接，另一端接地；运算放大器AR3的输出端与运算放大器AR4的同向输入端电连接。

比较检测机构U3由运算放大器AR4构成电压比较器。运算放大器AR4的反向输入端接入参考电压V0，运算放大器AR4的同向输入端与运算放大器AR3的输出端电连接，运算放大器AR4的输出端与故障诊断机构U4电连接。

基于以上检测电路，通过如下步骤来实现串联晶闸管的故障检测。

开关控制机构U1未给高压隔离开关K的控制端上电时，高压隔离开关K处在断开状态，串联晶闸管在原电路中正常工作，故障检测电路不受高压影响。当晶闸管工作结束，需要检测是否有晶闸管击穿时，开关控制机构U1给高压隔离开关K的控制端上电，高压隔离开关K闭合，此时辅助电源U5给均压电阻回路上电，高压隔离开关K1、K2、K3、K4上分别产生电压V1、V2、V3、V4。

电压检测机构U2得到均压电阻R1、R2、R3两端的电压差值，即V1-V2、V2-V3、V3-V4。应当清楚的是，串联晶闸管为了防止分压不均，均压电阻的阻值都是相同的，令R1=R2=R3=R4。当晶闸管性能均正常时，应处在关断状态，此时可以得到V2=3/4V1，V3=2/4V1，V4=1/4V1，则有V1-V2=V2-V3=V3-V4=1/4V1，即电压检测机构U2得到均压电阻两端的电压差值都是相等的；当有晶闸管击穿时，此晶闸管处在导通状态，此时电压检测机构U2得到的对应电压差值几乎为0，而其他均压电阻两端的电压差值则会变大。电压检测机构U2将得到的电压差值传送给比较检测机构U3。

比较检测机构U3将电压检测机构U2传输来的电压差值与设定的参考电压V0（V0小于1/4V1）进行比较。当电压差值大于参考电压V0时，比较检测机构U3输出逻辑电平为1；当电压差值小于参考电压V0时，比较检测机构U3输出逻辑电平为0。比较检测机构U3将输出结果传送给故障诊断机构U4。

故障诊断机构U4根据接收到的比较检测机构U3输出的逻辑电平判断晶闸管是否击穿。当比较检测机构U3输出的逻辑电平为1时，说明晶闸管正常；当比较检测机构U3输出的逻辑电平为0时，说明晶闸管被击穿，故障诊断机构U4提示故障晶闸管的位置，方便实验人员及时进行检修。

本发明的串联晶闸管的快速故障检测装置，是一种判断晶闸管是否击穿的静态检测方法。通过真空开关隔离晶闸管在工作状态时阴阳极两端的高压，晶闸管工作结束后，再闭合真空开关，控制辅助电源上电，比较晶闸管并联的均压电阻两端产生的电压差值与参考电压值，将比较结果传输给故障诊断机构，判别晶闸管是否损坏，防止在晶闸管在故障时继续工作造成的进一步器件损坏。检测速度快，结构简单。

Claims (7)

1.一种串联晶闸管的快速故障检测装置，其特征在于：包括高压隔离开关、开关控制机构、电压比较机构、故障诊断机构和辅助电源；

高压隔离开关的正极分别连接在与晶闸管并联的均压电阻的两端，负极与电压比较机构的输入端电连接，用于隔离晶闸管原电路与检测电路；

开关控制机构与高压隔离开关的控制端电连接，用于控制高压隔离开关的关断；

电压比较机构的输入端与高压隔离开关的负极电连接，输出端与故障诊断机构电连接，用于检测均压电阻两端的电压差值并与参考电压进行比较；

故障诊断机构与电压比较机构的输出端电连接，用于采集电压比较机构的输出结果并根据输出逻辑值判断晶闸管是否击穿；

辅助电源的正极连接高压隔离开关的第一级开关的负极，用于给晶闸管回路提供检测电压。

2.根据权利要求1任意一项所述的串联晶闸管的快速故障检测装置，其特征在于：所述电压比较机构包括电压检测机构和比较检测机构；电压检测机构的输入端分别连接在相邻两个高压隔离开关的负极，输出端与比较检测机构的输入端电连接，用于检测均压电阻两端的电压差；

所述比较检测机构的输出端与故障诊断机构电连接，用于比较电压差值与参考电压值。

3.根据权利要求1或2所述的串联晶闸管的快速故障检测装置，其特征在于：所述电压检测机构包括第一运算放大器AR1、第二运算放大器AR2、第三运算放大器AR3、第一电阻R5、第二电阻R6、第三电阻R7和第四电阻R8；

第一运算放大器AR1的反向输入端与其输出端电连接，同向输入端与次级高压隔离开关电连接，输出端与第一电阻R5的一端电连接；

第二运算放大器AR2的反向输入端与其输出端电连接，同向输入端与高级高压隔离开关电连接，输出端与第三电阻R7的一端电连接；

第三运算放大器AR3的反向输入端与第一电阻R5、第二电阻R6的一端电连接，同向输入端与第三电阻R7、第四电阻R8的一端电连接，输出端与比较检测机构的输入端电连接；

第一电阻R5的一端与第一运算放大器AR1的输出端电连接，另一端与第三运算放大器AR3的反向输入端电连接；

第二电阻R6的一端与第三运算放大器AR3的反向输入端电连接，另一端与第三运算放大器AR3的输出端电连接；

第三电阻R7的一端与第二运算放大器AR2的输出端电连接，另一端与第三运算放大器AR3的同向输入端电连接；

第四电阻R8的一端与所述第三运算放大器AR3的同向输入端电连接，另一端接地。

4.根据权利要求2所述的串联晶闸管的快速故障检测装置，其特征在于：所述比较检测机构为电压比较器。

5.根据权利要求1所述的串联晶闸管的快速故障检测装置，其特征在于：所述高压隔离开关为真空开关。

6.根据权利要求1所述的串联晶闸管的快速故障检测装置，其特征在于：所述高压隔离开关为常开型开关。

7.根据权利要求1所述的串联晶闸管的快速故障检测装置，其特征在于：所述故障诊断机构为CPU。