CN110912073B - 一种针对电力电子器件损坏时间演化规律的观测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种针对电力电子器件损坏时间演化规律的观测系统，所述观测系统包括主电路、电流切除支路和控制单元，其中：所述主电路，包括串联连接的电源、负载电感、第一故障切除器件、和观测器件接口，其中所述观测器件接口用于安装待观测的电力电子器件；所述电流切除支路，包括第二故障切除器件，并且所述电流切除支路与所述主电路中串联的第一故障切除器件和观测器件接口并联连接；所述控制单元，与所述主电路中的所述第一故障切除器件和所述电流切除电路中的第二故障切除器件连接，并能够与所述待观测的电力电子器件连接。本发明的观测系统能够对电力电子器件的损坏时间演化规律实现观测。

Description

一种针对电力电子器件损坏时间演化规律的观测系统
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种针对电力电子器件损坏时间演化规律的观测系统。
背景技术
目前，由于高阻断电压、大通态电流的特点，IGCT(integrated Gate CommutatedThyristors，集成门极换流晶闸管)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)等器件广泛应用到大电流、低损耗的场景中。
而对于包括IGCT、IGBT等器件在内的电力电子器件的应用而言，存在合适的电压、电流、频率等安全工作区域。对于超出安全工作区域的器件，则会发生由于热学积累、过电压、大浪涌电流、动态雪崩等引起的器件失效。
然而，由于这些器件从开始发生击穿，到局部损坏出现短路或断路的时间极短，一般在百纳秒到数十微秒间。因此，难以利用除电学外的手段观测并推断击穿发生极短时间尺度内的物理过程。除此之外，这些器件本体通过封装结构与外电路相连，由外表难以观测其内部，无法利用高速摄像机等设备对芯片进行直接观测。
为研究器件在关断损坏过程的物理发展过程，亟待一种能够对电力电子器件的损坏时间演化规律实现观测的设备。
发明内容
为例解决上述技术问题，本发明提供了一种针对电力电子器件损坏时间演化规律的观测设备。
一种针对电力电子器件损坏时间演化规律的观测系统，所述观测系统包括主电路、电流切除支路和控制单元，其中：
所述主电路，包括串联连接的电源、负载电感、第一故障切除器件、和观测器件接口，其中所述观测器件接口用于安装待观测的电力电子器件；
所述电流切除支路，包括第二故障切除器件，并且所述电流切除支路与所述主电路中串联的第一故障切除器件和观测器件接口并联连接；
所述控制单元，与所述主电路中的所述第一故障切除器件和所述电流切除电路中的第二故障切除器件连接，并能够与所述待观测的电力电子器件连接。
进一步地，所述系统还包括负压耦合回路，其中，
所述负压耦合回路串联在所述主电路中。
进一步地，所述电流切除支路与所述主电路中串联的第一故障切除器件、观测器件接口和负压耦合回路并联连接。
进一步地，所述控制单元，用于判断所述待观测的电力电子器件是否超出安全工作区域到达观测时间节点，并基于判断结果控制所述主电路中所述第一故障切除器件和所述电流切除支路中所述第二故障切除器件的通断。
进一步地，所述控制单元，用于在所述待观测的电力电子器件超出安全工作区域到达观测时间节点时，控制所述主电路中所述第一故障切除器件关断，同时控制所述电流切除支路中所述第二故障切除器件的开通。
进一步地，所述第一故障切除器件和/或第二故障切除器件为电流型切除器件。
进一步地，所述第一故障切除器件和/或第二故障切除器件为以碳化硅为基底材料或宽禁带半导体材料制作成的MOSFET或JFET器件。
本发明能够对电力电子器件的损坏时间演化规律实现观测。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指出的结构来实现和获得。应理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例性的，并且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。
附图说明
通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。除非明确指出，否则附图不应视为按比例绘制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同组件或步骤。在附图中：
图1示出了根据本发明实施例的一种观测系统典型拓扑示意图；
图2示出了根据本发明实施例的一种带有负压耦合电路的观测系统典型拓扑示意图。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本文所描述的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。在本说明书和附图中，将采用相同的附图标记表示大体上相同的元素和功能，且将省略对这些元素和功能的重复性说明。此外，为了清楚和简洁，可以省略对于本领域所熟知的功能和构造的说明。
实施例一
图1示出了根据本发明实施例的一种观测系统典型拓扑示意图，如图1所示，所述观测系统主要包括主电路、电流切除支路和控制单元(图中未示出)。其中，所述主电路包括串联连接的电源、负载电感、故障切除器件1、和观测器件接口，所述故障切除器件1可以位于所述观测接口靠近所述电源负极的一端；所述电流切除支路包括故障切除器件2，其中所述电流切除支路与所述主电路中串联的故障切除器件1和观测器件接口实现并联连接。控制单元与所述主电路中的故障切除器件1和电流切除支路中的故障切除器件2连接，以实现对故障切除器件1和故障切除器件2的通断控制。
为了能够实现展示对包括IGCT、IGBT等器件在内的待观测电力电子等器件的连接关系，本发明在图1中，所述观测器件接口上连接了待观测器件。待观测器件IGCT、IGBT等连接到所述观测器件接口时，待观测器件的集电极与观测器件接口中电流流入的一端连接，而待观测器件的发射极与观测器件接口中电流流出的一端连接。所述控制单元还与所述待观测器件实现连接，以检测所述待观测器件是否超出安全工作区域到达观测时间节点。
在正常状态下，本发明实施例一中的主电路可以形成导通的电流回路，即控制故障切除器件1导通，电流切除支路断开，即控制故障切除器件2断开。此时，电源电流从其正极流出依次经过所述负载电感、安装在所述观测器件接口上的待观测器件、故障切除器件1后，到达电源的负极。
当检测到待观测器件超出安全工作区域到达观测时间节点时，记录该时间节点，并控制故障切除器件1关断，控制故障切除器件2开通。此时，一方面串联的故障切除器件1主动关断切断电流，另一方面故障切除器件2的开通可以辅助对故障切除器件1所在支路进行换流，并抑制故障切除器件1支路的过电压，提供更为稳定的观测与保护性能，快速将过电流切除，维持待观测器件在待测时刻的状态。
本发明实施例中，故障切除器件1和故障切除器件2可以选用电流型切除器件。电流切除器件既需要承受母线电压与关断暂态过电压，又要实现快速关断电流。因此，本发明实施例中采用单极器件，为保证阻断电压，减小由串并联引入的不可靠性，最终主要考虑选用以碳化硅为基底材料(也可为其他宽禁带半导体材料)制作成的MOSFET(Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)或JFET(Junction Field Effect Transistor，结型场效应管)器件作为电流切除器件。
由于器件发生损坏大部分处于关断阶段，且器件损坏的阶段与失效后流过电流的大小及时间有关，故选用失效后(判断依据为阳极电压跌落至接近0电压)阳极电流达到某一设定值(例如达到5kA)的时间作为是否达到电力电子器件损坏时间的判断依据。
本发明实施例的控制单元检测阳极电流，获得阳极电流达到上述设定值的时间，并控制控制主电路中的故障切除器件1关断，控制电流切除支路中的故障切除器件2开通，从而获得电力电子器件损坏时间的演化趋势。
本发明实施例的观测系统保证制作出固定损坏阶段的样品便于后续的分析测试。
实施例二
主电路拓扑方面，如本发明图1所示的结构为一种可选的方案，本发明实施例在图1的结构基础之上还提供了另一种观测系统。如图2示出了根据本发明实施例的一种带有负压耦合电路的观测系统典型拓扑示意图，如图2所示，在实施例一的主电路中串联接入一个负压耦合电路，其可以位于所述故障切除器件1靠近所述电源负极的一端。并且所述电流切除支路与串联的故障切除器件1、观测器件接口和所述负压耦合电路实现并联连接。
在正常状态下，本发明实施例二与实施例一类似，即主电路同样可以形成导通的电流回路，即控制故障切除器件1导通，电流切除支路断开，即控制故障切除器件2断开。此时，电源电流从其正极流出依次经过所述负载电感、安装在所述观测器件接口上的待观测器件、故障切除器件1和负压耦合回路后，到达电源的负极。
当检测到待观测器件超出安全工作区域到达观测时间节点时，记录所示时间节点，并控制故障切除器件1关断，控制故障切除器件2开通。此时，一方面串联的故障切除器件1主动关断切断电流，另一方面故障切除器件2的开通可以辅助对故障切除器件1所在支路进行换流，并抑制故障切除器件1支路的过电压，提供更为稳定的观测与保护性能，快速将过电流切除，维持待观测器件在待测时刻的状态。
在图2所示的观测系统中，正常状态下所述负压耦合电路部分副边无电流通过。在需要控制单元切断电流时，通过快速在负压耦合电路原边施加电流使得副边耦合反向电流，辅助主回路进行换流，加速故障切除器件1的截止。
在本发明中，利用该观测平台，可以将测量、检测、反馈、电流切断的总时间控制在200ns以内，具有较高的实用性，可用于开展器件损坏机理的相关研究。
本发明提供的针对电力电子器件损坏演化规律的观测设备，通过控制在芯片损坏过程中的对应时间点切断电流，通过多次实验可以得到器件损坏过程的发展规律。同时，该测量设备也可用于器件单次开通关断过程的保护，防止器件因超出安全工作区的工况出现击穿损坏，便于工程应用中的拓扑方案等调试。
本领域技术人员应该理解的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的技术人员可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求书的范围。

Claims (5)

1.一种针对电力电子器件损坏时间演化规律的观测系统，所述观测系统包括主电路、电流切除支路和控制单元，其中：
所述主电路，包括串联连接的电源、负载电感、第一故障切除器件、和观测器件接口，其中所述观测器件接口用于安装待观测的电力电子器件；
所述电流切除支路，包括第二故障切除器件，并且所述电流切除支路与所述主电路中串联的第一故障切除器件和观测器件接口并联连接；
所述控制单元，与所述主电路中的所述第一故障切除器件和所述电流切除支路中的第二故障切除器件连接，并能够与所述待观测的电力电子器件连接；
所述控制单元用于判断所述待观测的电力电子器件是否超出安全工作区域到达观测时间节点，并基于判断结果控制所述主电路中所述第一故障切除器件和所述电流切除支路中所述第二故障切除器件的通断；
所述系统还包括负压耦合回路，其中，所述负压耦合回路串联在所述主电路中，用于在需要控制单元切断电流时，通过在负压耦合电路原边施加电流使得副边耦合反向电流，辅助主电路进行换流，加速故障切除器件的截止。
2.根据权利要求1所述的观测系统，其中
所述电流切除支路与所述主电路中串联的第一故障切除器件、观测器件接口和负压耦合回路并联连接。
3.根据权利要求1所述的观测系统，其中，
所述控制单元，用于在所述待观测的电力电子器件超出安全工作区域到达观测时间节点时，控制所述主电路中所述第一故障切除器件关断，同时控制所述电流切除支路中所述第二故障切除器件的开通。
4.根据权利要求1所述的观测系统，其中，
所述第一故障切除器件和/或第二故障切除器件为电流型切除器件。
5.根据权利要求4所述的观测系统，其中，
所述第一故障切除器件和/或第二故障切除器件为以碳化硅为基底材料或宽禁带半导体材料制作成的MOSFET或JFET器件。
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