CN114175507A

CN114175507A - 不均衡故障探知电路

Info

Publication number: CN114175507A
Application number: CN201980098580.3A
Authority: CN
Inventors: 田内宏宪; 伊藤勇辉; 兵头贵志
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2019-08-07
Filing date: 2019-08-07
Publication date: 2022-03-11
Also published as: EP4012925A1; US20220294440A1; JP7405143B2; EP4012925A4; WO2021024432A1; JPWO2021024432A1; US11984880B2

Abstract

本公开的一个方式的不均衡故障探知电路用于探知包括多个电流路径的电子设备装置的不均衡故障，多个电流路径分别包括电子设备且并联连接，不均衡故障探知电路具备：检测部，具有以分别包围多个电流路径的方式配置且串联连接的多个线圈，检测部输出基于在多个电流路径中流动的电流的多个线圈的感应电压之和亦即线圈和电压；以及控制部，在来自检测部的线圈和电压超过了预定值的范围的情况下，探知电子设备装置的不均衡故障。

Description

不均衡故障探知电路

技术领域

本公开涉及不均衡故障探知电路和具备上述不均衡故障探知电路的电子设备装置，不均衡故障探知电路探知例如包括作为半导体开关元件的电子设备的电子设备装置的不均衡故障。

背景技术

专利文献1的课题在于，在使并联的多个半导体开关元件以来自共同的驱动电路的动作信号同时动作的结构的装置中，能够通过简单的电路可靠地检测在任一个半导体开关元件产生了过电流这一情况。

在专利文献1中，在并联连接多个(例如两个)IGBT而由栅极驱动电路向它们给出共同的驱动信号时，在栅极驱动电路与各IGBT之间的各布线插入栅极电流检测器。若过电流在任一个IGBT中流动，则由极性检测器及异或元件检测到检测电流的极性在栅极电流检测部之间不同，从而探知臂短路电流的产生。或者，附加由过电流检测器及逻辑和元件检测在两个栅极电流检测器之间的检测电流中的任一个超过了预定值这一情况的电路，并通过逻辑积元件对该逻辑和元件的输出与异或元件的输出的逻辑积进行运算，从而检测臂短路电流的产生。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-042546号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

专利文献1的电路的部件数量较多，难以实现小型化。

本发明公开一种能够以与现有技术相比较少的部件数量检测电子设备的不均衡故障的、电子设备装置的不均衡故障探知电路。

用于解决技术问题的手段

发明效果

根据本公开的不均衡故障探知电路，能够以与现有技术相比较少的部件数量探知不均衡故障。

附图说明

图1是表示实施方式1的故障探知系统10的结构例的框图。

图2是表示图1的故障探知系统10的各部中的信号等的波形的例子的时序图。

图3是表示图1的故障探知系统10的各部中的信号等的波形的另一例的时序图。

图4是表示图1的故障探知系统10的各部中的信号等的波形的又一例的时序图。

图5是表示图1的故障探知系统10在印刷电路基板500上的安装例的俯视图。

图6是用虚线VI-VI’切断图5的印刷电路基板500而得到的剖视图。

图7是用虚线VII-VII’切断图5的印刷电路基板500而得到的剖视图。

图8是表示实施方式2的故障探知系统10A的结构例的框图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式进行说明。其中，以下进行说明的各实施方式在所有方面仅仅为本发明的例示。当然能够在不脱离本发明的范围地进行各种改进、变形。也就是说，在实施本发明时，也可以适当采用与实施方式相应的具体结构。另外，在添加的附图中，对相同或者相似的结构标注同一附图标记。

(实施方式1)

图1是表示实施方式1的故障探知系统10的结构例的框图。在图1中，故障探知系统10是用于包括两个电流路径的电子设备装置的故障探知系统10，两个电流路径分别插入有开关元件Q1、Q2，故障探知系统10包括直流电流源20、驱动信号振荡器30、并联连接的开关元件Q1、Q2以及故障探知电路100。故障探知电路100具备具有串联连接的两个线圈111、112的检测部110以及控制部120。

在图1中，直流电流源20是输出直流的输入电流Iin而供给电力的电源。驱动信号振荡器30通过同一驱动信号Sdrv对开关元件Q1、Q2进行开关控制。开关元件Q1、Q2例如为MOSFET等半导体开关元件，均通过开关元件驱动信号Sdrv进行控制而切换导通的状态。即，在包括开关元件Q1、Q2的电流路径中分别流动的电流I1、I2在驱动信号Sdrv为低电平时为0，在驱动信号Sdrv为高电平时变得最大。

检测部110的线圈111、112以分别包围两条电流路径的附近的方式配置，并通过电流I1、I2产生感应电压。控制部120检测线圈111、112的感应电压之和亦即线圈和电压Vc，在其值大于预定的阈值Vth、或小于-Vth时，探知在电子设备装置中产生不均衡故障。这里，不均衡故障是指在电子设备装置的多个电流路径的组中，流过电流比脱离了正常的预定电流比的电流，包括以下三种。

(1)开关元件Q1、Q2中的任一方的电阻值为与另一方不同的值，电流I1、I2彼此不相等的第一不均衡故障。

(2)在开关元件Q1、Q2中的任一方发生短路故障，电流I1、I2中的、在发生短路故障的开关元件Q1、Q2的电流路径中流动的电流I1、I2增加的第二不均衡故障。

(3)在开关元件Q1、Q2中的任一方发生开路故障，电流I1、I2中的、在未发生开路故障的开关元件Q1、Q2的电流路径中流动的电流I1、I2急剧增加的第三不均衡故障。

若控制部120探知不均衡故障，则向直流电流源20和驱动信号振荡器30输出停止信号Sc20、Sc30，使直流电流源20和驱动信号振荡器30的动作停止。

针对如以上那样构成的故障探知系统10的动作，以下进行说明。

在图1的故障探知系统10中，线圈111、112的匝数相同，且卷绕方向彼此相反，并分别配置于在开关元件Q1、Q2中流动的电流的电流路径的附近。

通过电流I1、I2而在线圈111、112产生的感应电压与在线圈111、112的绕组的内侧通过的磁通的变化的斜率成比例，通过电流I1、I2产生的磁通与电流I1、I2成比例。因此，在开关元件Q1、Q2正常动作时，电流I1、I2的值始终相等，因此线圈111、112中的感应电压为大小相等、且方向相反的电压。由此，两个感应电压相互抵消，线圈和电压Vc的值为0。

图2是表示图1的故障探知系统10的各部中的信号等的波形的例子的时序图。在图2中，时刻t10～t29表示故障探知系统10的开关动作的时刻。时刻t10～t17为电流I1、I2相等的定常动作的期间T1，时刻t20～t28为电流I1、I2不相等的定常动作的期间T2，时刻t29以后为探知上述“第一不均衡故障”，停止了开关元件Q1、Q2的动作的停止期间T3。

在图2中，在时刻t10～t11，来自驱动信号振荡器30的开关元件驱动信号Sdrv上升，电流I1、I2开始在开关元件Q1、Q2中流动。开关元件Q1、Q2由同一开关元件驱动信号Sdrv控制，电流I1、I2以相同的斜率增加，因此由线圈111、112产生的感应电压相互抵消，线圈和电压Vc的值为0。在时刻t11，开关元件驱动信号Sdrv为高电平，电流I1、I2的增加停止。

在时刻t11～t12，在开关元件Q1、Q2中流动的电流I1、I2未产生变化，因此未在线圈111、112产生感应电压，线圈和电压Vc的值为0。在时刻t12～t13，开关元件驱动信号Sdrv下降，电流I1、I2减小。在线圈111、112与时刻t10～t11相反方向地产生感应电压，但这些感应电压相互抵消，线圈和电压Vc的值为0。在时刻t13～t14，开关元件驱动信号Sdrv为低电平，开关元件Q1、Q2为绝缘状态，因此电流I1、I2为0，线圈和电压Vc为0。时刻t14～t17为时刻t10～t13的反复。像这样，在期间T1，线圈和电压Vc始终为零电平。

在时刻t20，开始与时刻t10～t13同样的控制，但产生上述“第一不均衡故障”，与电流I2相比，电流I1较大。由于该电流I1、I2之间的差值，时刻t20～t21的电流I1、I2的变化的斜率也产生差值，与电流I2的斜率相比，电流I1的斜率较大。因此，在线圈111产生的感应电压比线圈112的感应电压大，线圈和电压Vc为正值。但是，线圈和电压Vc越是超过阈值Vth，电流I1、I2的斜率之差越不大，因此控制部120未探知到不均衡故障。

在时刻t21～t22，电流I1、I2的值保持恒定，与时刻t11～t12同样地，线圈和电压Vc的值为0。在时刻t22～t23，与时刻t12～t13同样地，电流I1、I2减小，在线圈111、112产生感应电压。由于线圈111的感应电压比线圈112的感应电压大，因此线圈和电压Vc为(与时刻t20～t21时相反)负值。但是，该值也不会低于阈值电压-Vth，控制部120未探知到不均衡故障。时刻t24～t27为时刻t20～t23的反复。像这样，在期间T2产生“第一不均衡故障”，由此，线圈和电压Vc在开关元件驱动信号Sdrv的上升及下降的定时为非零电平。然而，线圈和电压Vc的值始终满足式-Vth＜Vc＜Vth，因此控制部120未探知到第一不均衡故障。

在时刻t28，上述“第一不均衡故障”的程度恶化，电流I1、I2的变化的斜率之差变得比时刻t20的值大。在时刻t28～t29，线圈和电压Vc变得比时刻t20～t21的值大，在时刻t29，超过阈值Vth。控制部120响应于线圈和电压Vc超过阈值Vth而探知“第一不均衡故障”，并将发送停止信号Sc30发送至驱动信号振荡器30。在时刻t30，驱动信号振荡器30响应于停止信号Sc30而停止开关元件驱动信号Sdrv的输出，由此开关元件Q1、Q2断开，故障探知系统10的动作停止。像这样，在期间T3，“第一不均衡故障”的程度恶化，线圈和电压Vc变得比-Vth小、或者比Vth大。控制部120响应于此，在驱动信号产生部中停止开关元件驱动信号Sdrv的输出。

像这样，由于开关元件Q1、Q2的故障而在电流I1、I2之间产生差值，故障探知系统10响应于线圈和电压Vc超过了电压值的范围-Vth～Vth而探知不均衡故障，停止开关元件Q1、Q2的动作。

图3是表示图1的故障探知系统10的各部中的信号等的波形的另一例的时序图。图3的例子与图2的例子相比，在期间T2中的“第一不均衡故障”的恶化在开关元件驱动信号Sdrv开启期间产生的方面上不同。在图3中，时刻t10～t27的动作由于与图2相同，因此省略说明。时刻t31～t32的动作与时刻t20～t21相同，在期间T2产生“第一不均衡故障”。

在图3中，在时刻t33，“第一不均衡故障”的程度恶化，与电流I1开始急剧增加同时地，已经流动的电流I2开始减小。因此，在线圈111产生非常大的感应电压，另一方面，在线圈112产生与时刻t10～t11相反方向的感应电压。由于电流I2的方向与期间T1相反，因此两个线圈111、112的感应电压彼此为相同的方向，不会相互抵消。由此，在时刻t34，两个线圈111、112的线圈和电压Vc超过阈值Vth，控制部120探知“第二不均衡故障”而使驱动信号振荡器30停止，使开关元件Q1、Q2停止(与图2的时刻t29相同)。由此，在时刻t35，故障探知系统10的动作停止(与图2的时刻t30相同)。

像这样，即使开关元件驱动信号Sdrv为高电平期间，故障探知系统10也响应于线圈和电压Vc超过电压值的范围-Vth～Vth而探知不均衡故障，使向开关元件Q1、Q2输入的开关元件驱动信号Sdrv停止，由此使开关元件Q1、Q2的动作停止。此外，关于上述“第三不均衡故障”，也同样地能够探知及停止。

图4是表示图1的故障探知系统10的各部中的信号等的波形的又一例的时序图。图4的例子与图3的例子相比，在开关元件Q1产生短路故障即使停止开关元件驱动信号Sdrv也维持短路状态的方面上不同。在图4中，时刻t10～t32的动作由于与图3相同，因此省略说明。

在图4中，在时刻t40，控制部120探知线圈和电压Vc的值超过了电压值的范围-Vth～Vth，而将停止信号Sc20、Sc30输出至直流电流源20和驱动信号振荡器30。由此，开关元件Q2停止，但开关元件Q1维持短路状态。因此，开关元件Q1如图3的时刻t34那样未停止，保持流过电流I1的状态。之后，在时刻t42，直流电流源20接受停止信号Sc20而使输入电流Iin为0，使在短路故障的开关元件Q1中流动的电流停止。

如以上那样，实施方式1的故障探知电路100例如为用于电子设备装置的不均衡故障探知电路，电子设备装置包括分别插入有开关元件Q1、Q2等电子设备的多个电流路径，故障探知电路100具备：检测部110，构成为在开关元件Q1、Q2正常动作时，线圈111、112感应电压的和电压Vc实际上为0；以及控制部120，在线圈111、112感应电压的和电压Vc从0起超过了向正负偏离了预定幅度(阈值Vth)的值的范围的情况下，探知电子设备装置的不均衡故障。控制部120若探知基于开关元件Q1、Q2的开路故障和短路故障等的电子设备装置的不均衡故障，则使直流电流源20和驱动信号振荡器30停止，由此使在开关元件Q1、Q2中流动的电流I1、I2停止。检测部110仅由两个线圈111、112构成，控制部120检测的值仅为线圈和电压Vc，因此故障探知系统10能够以部件数量较少的结构探知不均衡故障。

图5是表示图1的故障探知系统10在印刷电路基板500上的安装例的俯视图。另外，图6是用通过VI-VI’的平面切断图5的印刷电路基板500而得到的剖视图，图7是用通过VII-VII’的平面切断图5的印刷电路基板500而得到的剖视图。在图5～图7中，故障探知系统10的结构与图1的故障探知系统10相同，但为了简化附图，省略了直流电流源20、驱动信号振荡器30以及一部分的布线。

在图5的包括线圈111、112和控制部120的电路的布线中，实线表示印刷电路基板500的上表面(表面)中的导线，虚线表示印刷电路基板500的下表面(背面)中的导线。另外，线圈111、112所包括的小圆表示贯通印刷电路基板500而在上下表面双方导通的导线。纸面向里的电流I1、I2分别在开关元件Q1、Q2的源极端子(图5的S)中流动。

通过在印刷电路基板500的上下表面像这样进行布线，从而印刷电路基板500上的导线构成螺旋形状的线圈111、112。相互以相反的方向串联连接的线圈111、112通过在开关元件Q1、Q2的源极端子中流动的电流I1、I2分别产生感应电压，控制部120检测线圈和电压Vc。

(实施方式2)

图8是表示实施方式2的故障探知系统10A的结构例的框图。在图8中，故障探知系统10A与图1的故障探知系统10相比在以下的方面上不同。

(1)还具备与开关元件Q1并联连接的开关元件Q3、Q4。

(2)故障探知电路100A代替检测部110而具备检测部110A，检测部110A还具有与线圈111、112串联连接的线圈113、114。线圈113、114分别配置在通过开关元件Q3、Q4的电流路径的附近，匝数相同，卷绕方向彼此相反。

在图8中，例如在仅在开关元件Q4发生开路故障而电流I4变成0的情况下，在其他开关元件Q1～Q3中流动的电流I1～I3均衡地增加。其结果为，线圈111～113产生的感应电压增加，在线圈114产生的感应电压减小。由此，线圈和电压Vc与图3的时刻t30同样地增加较大而超过阈值Vth。若线圈和电压超过阈值Vth，则控制部120探知不均衡故障。

此外，图8的故障探知系统10A探知故障的电流路径并不限于两个或者四个，能够为相对于自然数n以2×n个表示的任意数。此时，检测部110A包括n组串联连接、相同匝数且卷绕方向彼此相反的两个线圈的组。

(其他实施方式)

在实施方式1和实施方式2中，公开了判断在偶数个电流路径中流动的电流是否全部相等的故障探知系统10、10A。然而，故障探知系统的电流路径也可以为奇数个，在定常动作的期间T1在各电流路径中流动的电流也可以是互不相同的值。例如，考虑在具备多个(N个)开关元件Q1～QN的N个电流路径中在期间T1流过电流I₁～I_N的情况。在该情况下，通过将线圈和电压Vc相对于电流I₁～I_N为0那样的(多个)N个线圈(例如，在图1中为111、112；在图8中，为111～114)以分别包围N个电流路径的附近的方式配置，从而能够检测不均衡故障。具体而言，在以检测电流I1的第一线圈的卷绕方向为基准，将具有与基准的方向相反的卷绕方向的线圈的匝数视为负值时，只要使在各电流路径中流动的电流值与包围该电流路径的线圈的匝数之积、针对所有电流路径的合计值为0即可。即，只要使下式成立，则线圈和电压Vc为0。

[式1]

这里，n_i(i＝1、2、…、N)表示以包围流过电流I_i的第i电流路径的方式配置的线圈的匝数，该匝数如上述那样，若卷绕方向与第一线圈相反，则为负值。不过，在多个线圈匝数互不相同的情况下，线圈和电压Vc的变化量根据在开关元件Q1～QN的哪一个中发生了故障而不同，因此应该注意阈值Vth的设定。

进一步，在实施方式1和实施方式2中，在所有开关元件正常动作的定常动作的期间T1，将线圈和电压Vc为0作为前提。因此，控制部120在线圈和电压Vc超过了电压值的范围-Vth～Vth的情况下探知不均衡故障。然而，例如在单独控制开关元件Q1～Q4时、或者线圈的匝数n₁～n₄与电流I₁～I₄的比值不成反比时等，在期间T1也能够进行使线圈和电压Vc不为0那样的设定。在该情况下，只要测定期间T1的线圈和电压Vc的上限值及下限值，在超过了包括从该上限值到下限值的范围的预定值的范围的情况下，控制部120探知不均衡故障即可。

此外，在实施方式1中，说明了图5那样的印刷电路基板在上下表面的表面安装的例子。然而，也能够进行基于多个开关元件和多个线圈在制造时被埋入基板内，而进行与上述的表面安装同样的动作的分立半导体元件(仅实现预定的功能的半导体元件)的安装。另外，实施方式1和实施方式2的不均衡故障探知电路以使用直流电流源20的直流电路中的不均衡故障为检测的对象。然而，本公开的不均衡故障探知电路也能够检测交流电路中的电流的不均衡故障。

工业上的可利用性

本公开的不均衡故障探知电路能够适用于包括多个电流路径的电子设备装置，多个电流路径并联连接且分别插入有电子设备。

附图标记说明

10、10A：故障探知系统；20：直流电流源；30：驱动信号振荡器；100、100A：故障探知电路；110、110A：检测部；111、112、113、114：线圈；120：控制部；Q1、Q2、Q3、Q4：开关元件；Vc：线圈和电压。

Claims

1.一种不均衡故障探知电路，用于探知包括多个电流路径的电子设备装置的不均衡故障，所述多个电流路径分别包括电子设备且并联连接，所述不均衡故障探知电路具备：

检测部，具有串联连接的多个线圈，所述多个线圈以分别包围所述多个电流路径的方式配置，所述检测部输出基于在所述多个电流路径中流动的电流的所述多个线圈的感应电压之和亦即线圈和电压；以及

控制部，在来自所述检测部的线圈和电压超过了预定值的范围的情况下，探知所述电子设备装置的不均衡故障。

2.根据权利要求1所述的不均衡故障探知电路，其中，

所述多个线圈具有所述线圈和电压实际上为0那样的匝数及卷绕方向，

所述预定值的范围为正阈值电压与负阈值电压之间的范围。

3.根据权利要求2所述的不均衡故障探知电路，其中，

在将在各所述电流路径中流动的电流设为I_i，将与各所述电流路径对应的各线圈的匝数设为n_i，将所述多个线圈中的一个线圈的卷绕方向设为基准卷绕方向，将具有与所述基准卷绕方向相同卷绕方向的线圈的匝数用正值的匝数表示，将具有与所述基准卷绕方向相反的卷绕方向的线圈的匝数用负值的匝数表示时，所述多个线圈的匝数以满足下式的方式设定：

[式1]

4.根据权利要求1至3中任一项所述的不均衡故障探知电路，其中，

所述电子设备装置通过电源被供给电力，

所述控制部在检测到所述不均衡故障的情况下，使电力供给停止。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的不均衡故障探知电路，其中，

多个所述电子设备分别为半导体开关元件，

多个所述半导体开关元件由同一驱动信号控制而选择性地切换电流的导通与非导通，

所述不均衡故障是由于所述多个半导体开关元件中的至少一个半导体开关元件的短路故障或者开路故障而产生的。

6.一种电子设备装置，具备：

并联连接且分别包括半导体开关元件的多个电流路径；以及

权利要求1至5中任一项所述的不均衡故障探知电路。