CN113812090A - 晶闸管电路及晶闸管保护方法 - Google Patents

Abstract

一种晶闸管电路(100)，包括至少一个支路，该至少一个支路包括至少一个晶闸管(10、20)、晶闸管控制电路(50)、以及电流检测器(60、61)。电流检测器(60、61)被配置为检测代表流过晶闸管的电流的电流值并且将所检测的电流值输入到晶闸管控制电路中。晶闸管控制电路被配置为基于晶闸管的劣化的阻断能力来确定所检测的电流值超过预先确定的电流阈值的故障条件。基于判断结果，晶闸管控制电路触发晶闸管进入导通状态。

Description

晶闸管电路及晶闸管保护方法

技术领域

本发明涉及一种具有包括至少一个晶闸管的至少一个支路的晶闸管电路以及一种用于保护至少一个支路中的晶闸管的晶闸管保护方法。

背景技术

在高电压大电流应用中，电子设备通常采用晶闸管作为功率电子部件。在其栅极处接收到触发电流后，晶闸管开始在从其阳极端子通过其半导体结堆叠到其阴极端子的路径中传导电流。在文献中，触发也称为激发或门控。除非被触发，否则晶闸管处于非导通状态或阻断状态。

因此，晶闸管被用于各种应用中的电流控制，例如，作为撬棒、大功率整流器等。当晶闸管或多个串联晶闸管的堆叠以反并联方式被连接时，它们可以被用于控制两个方向上的电流，例如，在诸如AC电炉之类的AC应用中。

在典型应用中，可能会出现故障电流条件。在这种情况下，涉及传导故障电流的晶闸管通常被阻断。随着结的温度或结温升高到高值，晶闸管的阻断能力开始劣化，从而导致通过结的高电阻电路。因此，在阻断状态和故障电流条件的情况下，还可能会促进结温的升高，这可能导致晶闸管的故障或热破坏。

期望保护晶闸管电路中的一个或多个晶闸管在故障电流条件下不被热损坏。

文档US 3,611,043 A描述了一种用于功率系统的保护电路，包括晶闸管开关以及与晶闸管开关串联设置的备用断路器。在晶闸管开关被禁用的异常事件中，保护电路使备用断路器中断。

发明内容

本公开的一个目的是提供一种具有改进的故障电流行为的晶闸管电路。该目的通过如独立权利要求中定义的主题来实现。其他示例性实施例根据从属权利要求和以下描述中显而易见。

根据与晶闸管电路有关的一个方面，一种晶闸管电路，包括至少一个支路，该支路包括至少一个晶闸管。晶闸管电路还包括晶闸管控制电路和电流检测器。晶闸管控制电路用于选择性地触发晶闸管。电流检测器被配置为检测代表流过晶闸管的电流的电流值。电流检测器还被配置为将所检测的电流值输入晶闸管控制电路。晶闸管控制电路被配置为基于晶闸管的劣化的阻断能力来确定其中所检测的电流值超过预先确定的电流阈值的故障条件。晶闸管控制电路还被配置为依据确定结果来触发晶闸管进入导通状态。

如本文中所使用的，故障条件通常是指晶闸管或晶闸管所在支路的某些电气值超过极限值的事件或时间段。极限值可能代表某些

在一些方面中，故障条件可以是在一个或多个支路中发生的过量电流或过电流。例如，故障条件可以是支路故障，例如，一个支路中的电流过高。在其他示例中，故障条件可以是多支路故障，例如，多个支路中的电流过高。

如本文中所使用的电流过高通常是指在短时间段(诸如短于500ms或短于100ms或短于10ms的时间段)内会导致晶闸管损坏的电流的量值或幅度。

根据与晶闸管保护方法有关的一个方面，一种用于保护晶闸管电路的至少一个支路中的晶闸管的晶闸管保护方法，包括：检测代表流过晶闸管的电流的电流值；基于晶闸管的劣化的阻断能力来确定电流值是否超过预先确定的电流阈值；以及依据确定结果，触发晶闸管进入导通状态。

在与晶闸管电路或晶闸管保护方法有关的上述方面中，当晶闸管控制电路确定发生了故障条件时，它向至少一个晶闸管的栅极发出触发电流，使得使晶闸管进入导通状态。故障条件被检测为过电流条件而非过电压条件。故障条件包括高电流条件或过电流条件，通常基于包括晶闸管电路的设备的外部的故障(例如，转换器外部故障)。

当晶闸管控制电路确定故障条件没有发生时，它可以执行晶闸管的正常操作，即，根据正常操作应用方案对晶闸管执行选择性触发操作。这种正常操作应用方案也可以由与晶闸管控制电路不同的其他设备来执行。作为非限制性和说明性示例，相应设备可以例如根据撬棒应用中的撬棒方案来触发晶闸管，例如，根据整流应用中的整流方案来触发晶闸管，或例如，根据AC电弧炉的电流和/或功率控制方案来触发晶闸管。

电流检测器可以是任何合适类型的电流检测设备，并且作为非限制性示例，可以是电感地耦合的电流检测器。可以预先确定并提前(即，在操作之前)设置电流阈值。例如，可以考虑晶闸管的标称操作范围或扩展操作范围来设置电流阈值。本文中所使用的标称操作范围至少包括晶闸管能够例如通过设计永久承受的电流，而不会被劣化或破坏超过设计极限。如本文中所使用的，扩展操作范围至少包括晶闸管在有限时间段内能够承受的电流。例如，电流阈值可以被设置为刚好高于晶闸管的最大标称操作电流，或可以被设置为例如标称操作电流的105％、110％或115％。在其他示例中，电流阈值可以被设置为刚好高于扩展操作范围。

如本文中所使用的，要通过触发晶闸管实现的导通状态通常是其中预期导通电流阀行为的状态。在导通状态下，晶闸管的结两端的电阻通常显著低于非预期电流流动期间的电阻，该非预期电流在阻断条件减小的情况下(例如，在结的高温状态下)流动。

通过在检测到故障条件时有意触发至少一个晶闸管进入导通状态，阻断能力的劣化可以被抑制，因此可以防止由于通过至少一个晶闸管的故障电流而导致的结温的有害增加。

根据一个实施例，触发晶闸管进入导通状态包括连续触发晶闸管进入导通状态。因此，该配置可以使得依据确定结果连续触发晶闸管进入导通状态。如本文中所使用的，连续触发意味着晶闸管的导通状态通过触发操作而被维持，而无需允许晶闸管恢复到阻断状态，至少只要故障条件被确定为占优势即可。

在各实施例中，连续触发晶闸管进入导通状态可以包括连续触发晶闸管达至少50ms，优选地，至少100ms，更优选地，至少130ms，甚至更优选地，至少160ms。

在其他实施例中，晶闸管电路还包括断路器，例如，用于支路电流。本文中，当连续触发晶闸管时，对断路器进行控制，从而中断电流，诸如支路电流。如本文中所使用的，术语支路电流可以是指在提供多个支路的情况下的所有支路电流。

断路器操作涉及一定延迟或时滞，该延迟或时滞主要由断路器的动作器造成，该动作器执行机械动作以中断承载支路电流的线路。在涉及断路器的实施例中，本文中所描述的晶闸管控制电路的控制可以有效桥接从故障条件发生直到由断路器安全中断的时间间隙。

在各实施例中，连续触发晶闸管进入导通状态可以包括至少连续触发晶闸管达与断路器中断承载支路电流的线路所需的时间一样长的时间。

在其他实施例中，晶闸管电路包括多个支路，例如但不限于三相系统中的三个支路。每个支路包括至少一个晶闸管。根据实施例，每个支路中的晶闸管以类似方式被控制，例如，通过晶闸管控制电路控制。例如，依据确定结果，支路中的每个支路中的晶闸管被触发进入导通状态，如本文中所描述的。

在采用多个支路的实施例中，如本文中所描述的断路器可以被配置为中断支路中的每个支路中的电流，例如，用于所有支路的公共断路器。例如，断路器被控制为当连续触发一个或多个晶闸管时中断所有支路中的支路电流。

根据其他实施例，当至少在多个支路中的一个支路中检测到的电流值超过预先确定的电流阈值时，故障条件被确定。例如而非通过限制的方式，当仅在三相系统的三个支路中的一个或两个支路中各自检测到的电流值超过预先确定的电流阈值时，故障条件被确定，并且一个或多个晶闸管(优选地，所有支路的晶闸管)被触发进入导通状态。根据又其他实施例，晶闸管控制电路被配置为依据故障条件来触发每个支路的至少一个晶闸管进入导通状态。

根据其他实施例，至少一个支路包括晶闸管堆叠。晶闸管堆叠包括两个或更多个晶闸管。在一个方面中，堆叠中的晶闸管的数目依据堆叠所连接的电压电平或堆叠所暴露的电压电平而被选择。电压电平例如是标称电压电平或最大期望电压电平。

在一个示例性配置中，晶闸管堆叠包括10个或更多个晶闸管，优选地，20个或更多个晶闸管，甚至更优选地，24个晶闸管。堆叠通常由晶闸管的第一串联连接和晶闸管的第二串联连接的配置构成。第一串联连接和第二串联连接以反并联连接设置，即，分别用于在一个支路方向上承载电流以及在与一个支路方向相反的支路方向上承载电流。

在采用晶闸管堆叠的实施例中，晶闸管控制电路被配置为依据故障条件来触发相应支路中堆叠的所有晶闸管进入导通状态。

在采用晶闸管堆叠的其他实施例中，其中晶闸管堆叠被设置在多个支路中，晶闸管控制电路被配置为依据故障条件来触发所有支路中每个堆叠的所有晶闸管进入导通状态。

根据一个方面，晶闸管电路还可以包括网络接口，用于将晶闸管控制电路和电流检测器中的至少一个连接到数据网络，具体地，全局数据网络。数据网络可以是诸如互联网之类的TCP/IP网络。晶闸管控制电路和/或电流检测器可操作地被连接到网络接口以执行从数据网络接收的命令。命令可以包括用于控制晶闸管控制电路的控制命令，例如，用于设置电流阈值的设置命令、或断路器操作命令。在这种情况下，晶闸管控制电路适于响应控制命令而执行任务。命令可以包括状态请求。响应于状态请求或在没有先前状态请求的情况下，晶闸管控制电路和/或电流检测器可以适于向网络接口发送状态信息，然后网络接口适于通过网络发送状态信息。命令可以包括更新命令，该更新命令包括更新数据。在这种情况下，晶闸管控制电路和/或电流传感器适于响应于更新命令而发起更新并且使用更新数据。根据一个实施例，网络接口被配置为在一方面的晶闸管控制电路和/或电流检测器与另一方面的数据网络之间收发数字信号。数字信号包括操作命令，通常，电流阈值的设置值、和/或关于晶闸管控制电路和/或电流检测器或网络的信息。

附图说明

参考附图所图示的示例性实施例对本公开的主题进行更详细的解释。在附图中，

图1示意性地示出了根据一个实施例的晶闸管电路。

图2示意性地示出了根据另一实施例的晶闸管电路；以及

图3示出了根据本文中所描述的实施例的晶闸管保护方法的流程图。

在所有附图中，相同或相似的部分具有相同的附图标记，并且不再重复其描述。

具体实施方式

图1示出了具有包括串联电路的支路的晶闸管电路100，该串联电路由缓冲电抗器80和一对经反并联连接的晶闸管10、20构成。并联电抗器81以电并联方式被连接到串联电路。在图1中，在馈线75的上游，数字“3”指示三相系统，其中晶闸管电路100被设置在三个支路的每个支路中。然而，本公开不限于三相系统，并且还可以提供1、2或4个或更多个支路。提供三相断路器70以在接收到断路器中断信号时，电中断馈线75。

晶闸管控制电路50被配置为使得它可以选择性地触发晶闸管10、20。如本文中所使用的选择性触发可以包括晶闸管控制电路50，该晶闸管控制电路50彼此独立控制每个晶闸管10、20。如本文中所使用的，选择性触发还可以包括晶闸管控制电路50，该晶闸管控制电路50同时控制多个晶闸管10、20，例如，公共晶闸管组10、20或晶闸管堆叠10、20(稍后要描述的)。晶闸管控制电路50可以经由栅极触发线55与相应晶闸管10、20的栅极连接。在图1所示的配置中，晶闸管控制电路50也经由断路器触发线56与三相断路器70连接，以控制断路器中断馈线75的相位。

包括电感电流传感器61以及与其耦合的电流值输出电路60的电流传感器组件经由电流信号线65与晶闸管控制电路50连接。电流传感器61检测在包含晶闸管10、20的支路中流动的电流。电流值输出电路60根据电流传感器61的输出计算电流值，并且将电流值作为电流信号输入到晶闸管控制电路50中。

在晶闸管控制电路50中，电流阈值的值被提前设置。晶闸管控制电路50确定经由电流信号线65作为电流信号输入的支路中的电流是否超过电流阈值。如本文中所使用的，超过包括超过电流的绝对值，即，当正号电流变得大于最大值或当负号电流变得小于最小值时，超过被满足。在典型实施例中，最大值是最小值的反号表示，即，把电流的绝对值考虑在内。

通常选取电流阈值以表示支路故障，诸如低电阻电流或短路电流；换言之，电流阈值通常表示可能导致晶闸管损坏(诸如热损坏)的过电流条件。

本实施例中的电流阈值被预先确定并提前(即，在操作之前)设置。本文中，电流阈值(即，在本例中为最大电流)的设置考虑晶闸管的标称操作范围。当结温由于流过晶闸管的电流而升高时，可以依据偏移(即，劣化)的阻断能力确定最大电流。最大电流还可以被确定为晶闸管能够永久承受而不被破坏的电流。

当晶闸管控制电路50确定存在故障条件时，它经由栅极触发线55向晶闸管10、20的栅极发出栅极触发信号。如本文中所使用的栅极触发信号是确保晶闸管从其阳极到其阴极(例如，经由流入栅极的足够栅极电流)的点燃状态或通过状态的信号。栅极触发信号通常是脉冲信号或脉冲串，具有至少50ms(优选地，至少100ms或至少130ms或至少160ms)的脉冲宽度。

与发出栅极触发信号一起，例如，在发出栅极触发信号的同时，晶闸管控制电路50经由断路器触发线56发出断路器触发信号。断路器触发信号指令断路器被操作进入其中断位置，即，开线位置。

在传统应用中，当满足故障条件的大电流流过包括晶闸管10、20的支路时，仍被操作处于阻断状态(即，未点火状态)的任何晶闸管10、20状态)可能会因大电流引起的温度升高而劣化阻断能力。结果，晶闸管10、20中的pn结的温度进一步升高。即使在检测到故障条件时，诸如断路器70之类的断路器被操作，断路器的操作也花费几十毫秒到几百毫秒。如果在该时间段或时间间隙期间晶闸管中出现高结温，则阻断可能足以永久劣化或损坏晶闸管。

相比之下，根据本公开，当故障条件被检测到时，晶闸管10、20被操作以处于导通状态。当故障电流(即，过高电流)流过晶闸管10、20时，pn结不会阻断，从而将上述时间段期间的温升抑制到较低值。

换言之，通过晶闸管阀10、20的电流被计量。如果故障发生并且电流超过一定水平，则晶闸管的触发立即从受控和相序触发切换到所有相的连续触发。这允许故障电流在没有任何减少的情况下流动，但是连续激发保护晶闸管10、20，因为它不必阻断，即，晶闸管10、20不必应对任何过电压。

在故障条件或过电流条件下，没有强制要求过电压条件也存在。由于结温升高，所以晶闸管10、20在这种情况下可能无法阻断在没有增加温度的情况下本可以阻断的特定电压。

在传统设置中，晶闸管10、20可能被控制为处于阻断状态，从而过热。对于过热的晶闸管，由于升高的结温，阻断电压能力大大降低。在不采用本技术的传统设置中，晶闸管10、20被控制为进一步阻断，这可能会导致故障和/或损坏。

虽然流过晶闸管10、20的故障电流加热了结并且降低了半导体的阻断电压能力，但是由于之后断路器70将馈线75断开数十到数百毫秒，不必再阻断电压，晶闸管10、20得以保护。没有防止故障(即，过载电流)，但是防止了晶闸管10、20在故障条件的情况下的阻断，当必须承载该故障电流时，这种阻挡可能会损坏半导体。

应当指出，根据本技术，被监测的不是电压而是大电流，晶闸管控制电路50利用该大电流来确定发出触发指令的条件。大电流或过电流源于转换器外部故障。

通过采用本技术，例如，可以省去用于限制故障电流的串联电抗器。任何这样的电抗器都会增加成本，并且由于电损耗，所以会增加操作成本。它会添加可能会发生故障的部件。通过采用本技术而不再需要该部件。

图2示意性地示出了根据另一实施例的晶闸管电路。在图2的实施例中，串联晶闸管的堆叠30和串联晶闸管的反并联堆叠40代替单个晶闸管10、20而被设置。每个堆叠30、40包括串联连接(即，堆叠)的两个或更多个晶闸管。在典型应用中，每个堆叠30、40包括至少10个或至少20个晶闸管；例如，每个堆叠30、40包括24个晶闸管，但不限于这些数目。与图1所示的配置一样，在图2的实施例中，如图所示配置三个支路，并且提供三相断路器70以在接收到断路器信号时中断馈线75。再者，每个相位设置并联电抗器81。应当指出，三个相位仅是示例，并且本公开不限于三相应用，而是适用于具有与三不同的相位的数目的单相应用或多相应用。

包括晶闸管控制电路50在内的其他部件的主要操作方式主要如上文在图1的实施例所描述的。

在图2的采用堆叠30、40的实施例中，优选的是，当故障条件被确定为存在于一个或多个支路中时，触发，优选地，连续触发，堆叠30、40的所有晶闸管或其中发生故障条件的一个或多个支路中的每个堆叠30、40的所有晶闸管进入导通状态。

在图2的实施例中，配置可以使得当一个或多个支路中被确定为存在故障条件时，触发，优选地，连续触发，所有支路中的每个堆叠30、40的所有晶闸管进入导通状态。

图3示出了根据本文中所描述的实施例的晶闸管保护方法的流程图。该方法可以应用于例如图1中所示的示例性配置或图2所示的示例性配置，但其可以应用于具有上文所描述的构成要素中的至少一些构成要素的每个合适配置。该方法是一种晶闸管保护方法，用于保护晶闸管电路100的至少一个支路中的晶闸管10、20(其可能位于晶闸管堆叠30、40中)。

在图3中，该方法从1000开始。处理进行到1001，其中代表流过晶闸管10、20的电流的电流值被检测。在1002中，电流值是否超过预先确定的电流阈值被确定。电流阈值被提前设置，电流阈值(即，在本例中为晶闸管能够永久承受而不会被破坏的最大电流)的设置考虑了晶闸管的标称操作范围。

如果在1002中确定电流值没有超过预先确定的电流阈值，则处理返回到1001。如果在1002中确定电流值超过预先确定的电流阈值，则处理继续到1003。在1003中，晶闸管10、20被触发进入导通状态，优选地，该晶闸管10、20被连续触发进入导通状态。处理进行到1004，在该1004处，方法结束。

在图3中，在1003中，作为示例，触发晶闸管进入导通状态通常包括连续触发晶闸管达至少50ms或至少100ms或至少130ms或至少160ms。

与1003中的触发一起，该方法通常提供发出触发操作以断开断路器，诸如图1和图2的三相断路器70。

虽然本公开参考附图和前述描述详细说明了特定实施例和方面，但任何这种说明和说明应被视为说明性或示例性的而非限制性的。本发明不限于所公开的实施例。

所公开的实施例的其他变化对于本领域技术人员而言是显而易见的。在权利要求中，术语“包括(comprise)”不排除其他要素或步骤，不定冠词“一”/“一个”不排除多个。单个处理器或控制器或其他单元可以实现说明书或权利要求的几个项的功能。例如，电流控制器60、61可以是单个单元。例如，电流控制器60、61或其部分可以与晶闸管控制电路50集成。在相互不同的从属权利要求中叙述某些措施的仅仅事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

Claims (15)

1.一种晶闸管电路(100)，包括：

至少一个支路，包括至少一个晶闸管(10、20)；

晶闸管控制电路(50)，用于选择性触发所述晶闸管；

电流检测器(60、61)，被配置为检测表示流过所述晶闸管的电流的电流值并且将所检测的电流值输入到所述晶闸管控制电路；

其中所述晶闸管控制电路(50)被配置为基于所述晶闸管的劣化的阻断能力来确定所检测的电流值超过预先确定的电流阈值的故障条件，并且依据确定的结果，触发所述晶闸管进入导通状态。

2.根据权利要求1所述的晶闸管电路(100)，其中所述晶闸管的所述劣化的阻断能力取决于所述晶闸管的结温。

3.根据权利要求1或2所述的晶闸管电路(100)，其中触发所述晶闸管进入所述导通状态包括连续触发所述晶闸管进入所述导通状态。

4.根据前述权利要求中任一项所述的晶闸管电路(100)，其中所述电流阈值基于所述晶闸管的结温特性来设置。

5.根据前述权利要求中任一项所述的晶闸管电路(100)，还包括断路器(70)，其中所述晶闸管控制电路还被配置为：当所述晶闸管控制电路连续触发所述晶闸管时，控制所述断路器，诸如中断所述电流。

6.根据前述权利要求中任一项所述的晶闸管电路(100)，其中触发所述晶闸管进入所述导通状态包括连续触发所述晶闸管达至少50ms，优选地，达至少100ms，更优选地，达至少130ms，甚至更优选地，达至少160ms。

7.根据前述权利要求中任一项所述的晶闸管电路(100)，其中所述晶闸管电路包括多个支路，每个支路包括至少一个晶闸管，通常为三个相支路，每个相支路包括至少一个晶闸管。

8.根据权利要求7所述的晶闸管电路(100)，其中所述晶闸管控制电路被配置为：当至少在所述多个支路中的一个支路中所检测到的电流值超过所述预先确定的电流阈值时，确定所述故障条件。

9.根据权利要求7或8所述的晶闸管电路(100)，其中所述晶闸管控制电路被配置为依据所述故障条件来触发每个支路的所述至少一个晶闸管进入所述导通状态。

10.根据前述权利要求中任一项所述的晶闸管电路(100)，其中所述至少一个支路包括晶闸管堆叠(30、40)。

11.根据权利要求10所述的晶闸管电路(100)，其中所述晶闸管控制电路被配置为依据所述故障条件触发相应支路中的所述堆叠(30、40)的所有晶闸管进入所述导通状态。

12.根据权利要求10所述的晶闸管电路(100)，其中所述支路各自包括晶闸管堆叠(30、40)，其中所述晶闸管控制电路被配置为依据所述故障条件来触发所有支路中的每个堆叠(30、40)的所有晶闸管进入所述导通状态。

13.根据前述权利要求中任一项所述的晶闸管电路(100)，还包括网络接口，以用于将所述晶闸管控制电路(50)和所述电流检测器(60、61)中的至少一个连接到网络，其中所述网络接口被配置为在所述晶闸管控制电路(50)和/或所述电流检测器(60、61)与所述数据网络之间收发数字信号，其中所述数字信号包括操作命令，通常为用于所述电流阈值的设置值和/或关于所述晶闸管控制电路(50)和所述电流检测器(60、61)或所述网络的信息。

14.一种晶闸管保护方法，用于保护晶闸管电路的至少一个支路中的晶闸管，所述方法包括：

检测(1001)电流值，所述电流值表示流过所述晶闸管的电流；

基于取决于所述晶闸管的结温的阻断能力来确定(1002)所述电流值是否超过预先确定的电流阈值；

依据确定的结果来触发(1003)所述晶闸管进入导通状态。

15.根据权利要求14所述的方法，其中触发所述晶闸管进入所述导通状态包括连续触发所述晶闸管进入所述导通状态。

Images