CN117129749A - 一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量方法及装置 - Google Patents

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王鹏
刘洋
刘佳鹏
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李立生
陈政宇
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马建业
汤雪腾
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Abstract

本发明涉及电力电子与高压测量技术领域，特别涉及一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量方法及装置。本发明通过同步控制模块控制延时控制模块，通过延时控制模块控制采样保持和AD采样模块；模拟开关Q1闭合，模拟开关Q2打开，启动采样保持和AD采样模块。本发明采用模拟开关，差分放大电路以及AD采样电路，配合采样触发控制和高速采样保持电路，实现对门极电压的实时、准确测量。

Description

一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量方法及装置
技术领域
本发明涉及电力电子与高压测量技术领域，特别涉及一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量方法及装置。
背景技术
门极换流晶闸管具有阻断电压高、通流能力强、导通压降低等特点，在直流电网、机车牵引及冶炼化工等领域有广阔的应用前景。门极换流晶闸管是一种电流控制型器件，门极驱动电路较为复杂。通常将门极换流晶闸管与其驱动电路集成到一起，构成集成门极换流晶闸管(IGCT)。集成门极换流晶闸管除了晶闸管芯片外，还包含数量众多的电子元器件，这在一定程度上制约了该类型器件的可靠性水平。为了实现器件的长期安全可靠运行，需要对其自身的关键特征参量进行实时状态监测。
在集成门极换流晶闸管中，门极电压是反映器件自身状态的重要特征参量，对器件结温预测、换流特性评估，甚至老化、失效都有直接的参考价值。工程应用中，对门极电压的测量精度有较高要求，如在器件结温预测等场合，通常要达到毫伏，甚至百微伏量级，才能对实际应用有参考价值。在线测量时，还要求响应时间快，至少达到微秒量级。由于集成门极换流晶闸管通常工作在高压、大电流工况，并且时刻处在高速开/关切换状态，自身及所在空间电磁干扰相当严重，实现在线准确测量门极电压难度极大。
针对门极电压测量，通常的处理方式是先采用分压器分压，再引入ADC测量。这种方式的主要缺点是：由于导通时的电压较低(～0.6V)，分压后直接采样(假设分压比设置为8，则导通时为0.075V，关断时为2.5V)，则导通时的电压将无法充分利用ADC的量程，进而导致很大的测量误差。通常情况下，还需考虑实际工况中的强电磁干扰问题，因此这种方式仅能实现数十毫伏量级的测量精度。此外，针对在线测量时对响应时间的要求，目前尚缺乏完善的处理手段。
综上所述，集成门极换流晶闸管门极电压是反映器件自身状态的重要特征参量，但目前尚缺乏实时、准确的在线测量方法。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量方法及装置，为了解决集成门极换流晶闸管门极电压实时、准确的在线测量难题。
第一方面，本发明提供了一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量装置，包括：集成门极换流晶闸管、同步控制模块、差分放大模块、延时控制模块，以及采样保持和AD采样模块；
集成门极换流晶闸管的门极G通过电阻R1后连接同步控制模块第一输入端；集成门极换流晶闸管的阴极K通过电阻R2后连接同步控制模块第二输入端；
同步控制模块第一输入端连接模拟开关Q1第一连接端，同步控制模块第二输入端连接模拟开关Q2第三连接端；同步控制模块输出端vq1连接模拟开关Q1第二连接端；同步控制模块输出端vq2连接模拟开关Q2第二连接端；同步控制模块输出端vtri连接延时控制模块输入端；模拟开关Q1第三连接端连接模拟开关Q2第一连接端；
模拟开关Q2第一连接端连接差分放大模块第一输入端；模拟开关Q2第三连接端连接差分放大模块第二输入端；
差分放大模块输出端连接采样保持和AD采样模块第一输入端，延时控制模块输出端连接采样保持和AD采样模块第二输入端。
进一步的，差分放大模块第一输入端经过并联的电容C1和电阻R3之后与差分放大器引脚1连接；差分放大模块第二输入端经过并联的电容C4和电阻R6之后与差分放大器引脚8连接；
差分放大器引脚1经过并联的电容C2和电阻R4之后接地，差分放大器引脚8经过并联的电容C3和电阻R5之后接地；
差分放大器引脚5经过电阻R8后接地；电阻R7接于差分放大器引脚5和引脚6之间；差分放大器引脚6作为差分放大模块输出端。
进一步的，采样保持和AD采样模块的第一输入端连接采样保持器引脚2；采样保持器接地引脚接地；
采样保持和AD采样模块的第二输入端连接采样保持器引脚7；
采样保持器引脚8连接模拟数字转换器第一输入端，采样保持器引脚7连接模拟数字转换器第二输入端。
进一步的，延时控制模块输入端连接单稳态触发器引脚10；单稳态触发器引脚5作为延时控制模块输出端；
电容C5接于单稳态触发器引脚6和引脚7之间；单稳态触发器引脚7串联电阻R9之后与电源VCC连接。
进一步的，同步控制模块第一输入端经过电阻R10之后与比较器引脚3连接；同步控制模块第二输入端与比较器引脚1连接；
比较器引脚1和引脚3之间并联有电阻R11，以及反向并联的二极管D1和D2；比较器引脚4和引脚3之间连接有电阻R12；
比较器引脚4经过电阻R13后与电源VCC连接，比较器引脚4经过电阻R14后接地；比较器引脚4与缓冲驱动器输入端连接；缓冲驱动器输出端分别作为同步控制模块输出端vq1和同步控制模块输出端vtri；
缓冲驱动器输出端经过非门后作为同步控制模块输出端vq2。
第二方面，本发明提供了一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量方法，采用上述的一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量装置；
通过同步控制模块控制延时控制模块，通过延时控制模块控制采样保持和AD采样模块；
模拟开关Q1闭合，模拟开关Q2打开，启动采样保持和AD采样模块。
本发明至少具备以下有益效果：
本发明采用模拟开关，差分放大电路以及AD采样电路，配合采样触发控制和高速采样保持电路，实现对门极电压的实时、准确测量。
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以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例门极电压在线测量实现电路；
图2为同步控制模块和延时控制模块的时序图；
图3为延时控制模块与差分放大模块输出vo的时序图；
图4为差分放大模块电路；
图5为采样保持和AD采样模块的电路图；
图6为延时控制模块的电路图；
图7为同步控制模块电路图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
现有技术中，集成门极换流晶闸管门极电压是反映器件自身状态的重要特征参量，但目前尚缺乏实时、准确的在线测量方法。
本发明本发明针对集成门极换流晶闸管门极电压的准确测量难题，提出了解决该问题的两种措施：一是在高速模拟开关的配合下，阻断IGCT器件关断期间施加于门极的负20V电压，仅使器件导通时的待测微弱信号进入放大电路，经放大处理后进入后续采样电路，这样就可以充分利用ADC芯片的量程，提高转换精度；二是在器件导通瞬间，在同步信号控制下实施高速采样保持和多次高速采样，进一步提升特定时刻门极电压的测量准确度。由于所选器件均为高速器件，在实现准确测量的同时，还可以在一定程度上保证测量的实时性。
第一方面，本发明提供了一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量装置，包括：集成门极换流晶闸管、同步控制模块、差分放大模块、延时控制模块，以及采样保持和AD采样模块；
集成门极换流晶闸管的门极G通过电阻R1后连接同步控制模块第一输入端；集成门极换流晶闸管的阴极K通过电阻R2后连接同步控制模块第二输入端；
同步控制模块第一输入端连接模拟开关Q1第一连接端，同步控制模块第二输入端连接模拟开关Q2第三连接端；同步控制模块输出端vq1连接模拟开关Q1第二连接端；同步控制模块输出端vq2连接模拟开关Q2第二连接端；同步控制模块输出端vtri连接延时控制模块输入端；模拟开关Q1第三连接端连接模拟开关Q2第一连接端；
模拟开关Q2第一连接端连接差分放大模块第一输入端；模拟开关Q2第三连接端连接差分放大模块第二输入端；
差分放大模块输出端连接采样保持和AD采样模块第一输入端，延时控制模块输出端连接采样保持和AD采样模块第二输入端。
本实施例中，差分放大模块第一输入端经过并联的电容C1和电阻R3之后与差分放大器引脚1连接；差分放大模块第二输入端经过并联的电容C4和电阻R6之后与差分放大器引脚8连接；
差分放大器引脚1经过并联的电容C2和电阻R4之后接地，差分放大器引脚8经过并联的电容C3和电阻R5之后接地；
差分放大器引脚5经过电阻R8后接地；电阻R7接于差分放大器引脚5和引脚6之间；差分放大器引脚6作为差分放大模块输出端。
本实施例中，采样保持和AD采样模块的第一输入端连接采样保持器引脚2；采样保持器接地引脚接地；
采样保持和AD采样模块的第二输入端连接采样保持器引脚7；
采样保持器引脚8连接模拟数字转换器第一输入端，采样保持器引脚7连接模拟数字转换器第二输入端。
本实施例中，延时控制模块输入端连接单稳态触发器引脚10；单稳态触发器引脚5作为延时控制模块输出端；
电容C5接于单稳态触发器引脚6和引脚7之间；单稳态触发器引脚7串联电阻R9之后与电源VCC连接。
本实施例中，同步控制模块第一输入端经过电阻R10之后与比较器引脚3连接；同步控制模块第二输入端与比较器引脚1连接；
比较器引脚1和引脚3之间并联有电阻R11，以及反向并联的二极管D1和D2；比较器引脚4和引脚3之间连接有电阻R12；
比较器引脚4经过电阻R13后与电源VCC连接，比较器引脚4经过电阻R14后接地；比较器引脚4与缓冲驱动器输入端连接；缓冲驱动器输出端分别作为同步控制模块输出端vq1和同步控制模块输出端vtri；
缓冲驱动器输出端经过非门后作为同步控制模块输出端vq2。
具体实施时，反向并联的二极管D1和D2，指二极管D1的正极连接D2的负极，D2的正极连接D1的负极。缓冲驱动器输出端，信号分成了三路，其中两路送到不同的硬件模块上(分别是图中的Q1和延时控制模块)，另一路经过非门后作为同步控制模块输出端vq2。
第二方面，本发明提供了一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量方法，采用上述的一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量装置；
通过同步控制模块控制延时控制模块，通过延时控制模块控制采样保持和AD采样模块；
模拟开关Q1闭合，模拟开关Q2打开，启动采样保持和AD采样模块。
具体实施时，图1中的G和K分别对应IGCT的门极和阴极，门极电压即G和K之间的电压。将G和K分别通过R1和R2引入同步控制模块，并经过模拟开关Q1引入差分放大电路，然后进入采样保持和AD采样模块。采样保持和AD采样模块的控制信号vdl来自延时控制模块；该模块的输入来自同步控制模块的输出vtri；Q1闭合，Q2打开时会使能vtri，经延时后启动采样保持和AD采样。
为使本领域的技术人员能更好的理解本发明，结合附图对本发明的原理阐述如下：
本发明针对集成门极换流晶闸管门极电压的准确测量难题，提出了解决该问题的两种措施：一是在高速模拟开关的配合下，阻断IGCT器件关断期间施加于门极的负20V电压，仅使器件导通时的待测微弱信号进入放大电路，经放大处理后进入后续采样电路，这样就可以充分利用ADC芯片的量程，提高转换精度；二是在器件导通瞬间，在同步信号控制下实施高速采样保持和多次高速采样，进一步提升特定时刻门极电压的测量准确度。由于所选器件均为高速器件，在实现准确测量的同时，还可以在一定程度上保证测量的实时性。
图1为门极电压在线测量实现电路。其中，Q1、Q2为模拟开关，采用ADI公司的集成芯片，型号为ADG453；该芯片内部集成了四个模拟开关，为两对常开/常闭开关，本电路中可任选其中一对。该器件的开通时间为70ns，关断时间为60ns。
图1中的G和K分别对应IGCT的门极和阴极，门极电压即G和K之间的电压。将G和K分别通过R1和R2引入同步控制模块，并经过模拟开关Q1引入差分放大电路，然后进入采样保持和AD采样模块。采样保持和AD采样模块的控制信号vdl来自延时控制模块；该模块的输入来自同步控制模块的输出vtri；Q1闭合，Q2打开时会使能vtri，经延时后启动采样保持和AD采样。
同步控制模块和延时控制模块的时序如图2所示。
图2中，vGK为门极电压；Q1、Q2和vtri是同步模块的输出信号，Q1和Q2，均为高电平闭合，低电平打开；vdl为延时控制模块的输出信号。IGCT导通时，门极电压从负20V变为～0.6V(在导通期间，该电压有波动)，此时同步模块触发Q1闭合，Q2打开，门极电压进入差分放大、采样保持和AD采样模块。设置Q2的目的是为了阻断IGCT关断时加于门极的负20V。增加延时控制模块的目的有两点：一是要避开开关切换时刻的干扰，二是要测量在IGCT开通后特定时刻的门极信号。通过延时模块的参数设置，可以配置图2中vdl波形图中的延时时间Δt1和持续时间Δt2。
设置持续时间Δt2的目的是为了精确测量特定时刻的门极信号。下面结合延时控制模块与差分放大模块输出vo的时序图(图3)进行说明。
图3中的vo来自差分放大模块，图2中的vGK经过差分放大处理后，会阻断负20V，变为幅值范围为0～2.4V的信号(由～0.6V，放大四倍，设达到AD芯片满量程的80％，假设AD芯片满量程为3V)，即vo，其在IGCT关断时为0V，导通时为～2.4V(有波动)，在vdl信号的控制下，采样保持模块在IGCT开通Δt1后，保持输出该时刻的vo，然后启动AD采样模块，在Δt2内连续采样N次(图3中为3次)。如此设置的目的，是为了实现在强电磁干扰环境下，准确测量只有零点几毫伏的门极电压信号。上述实现方式，主要考虑了两种措施：一是阻断IGCT关断时门极上的负20V，并将IGCT导通时的～0.6V放大至AD芯片满量程的80％，以充分使用ADC芯片的有效位数；二是在采样保持模块的配合下，对特定时刻的门极电压实施多次采样，数据滤波处理后可进一步提升测量准确度。
图4为图1中差分放大模块的实现电路。A1为ADI公司的高速差分放大器AD8130(频带270MHz)。电阻R3～R6，电容C1～C4构成两组对称阻容分压网络，将v1和v2引入差分放大器的引脚1和8，电阻R7/R8为反馈电阻网络。R7接于A1的5和6两引脚间，R8一端接引脚5，另一端接地。电阻R3/R6/R8阻值为1kΩ，R4/R5为10kΩ，R7为4.3kΩ。电容C1/C4容值为100pF，C2/C3为10pF。
图5为采样保持和AD采样模块的电路图。图中，A2为ADI公司高速采样保持器AD783(采集时间250ns)，A3为ADI公司的16位高精度模拟数字转换器AD7616(使用其中的一个通道，采样频率1MHz)。
图6为延时控制模块的电路图，输入来自vtri，输出为vdl。A4为TI公司单稳态触发器74HC123。R9/C5控制延时时间Δt＝0.45×R9×C5，设置R9为10kΩ，C5为1nF，延时时间约为5微秒。如果AD采样时间为1微秒，在该时间段内可以连续采样5次。
图7为同步控制模块的实现电路图。门极电压通过图1中的R1/R2接入此电路，经过电阻R10/R11构成的分压器后，通过两个反并联的二极管D1/D2，送至比较器A5的输入端。A5的输出经过上拉/下拉电阻R13/R14，送至缓冲驱动器A6，送出vq1和vtri，分别用于控制模拟开关Q1和采样保持电路；同时通过反相器A7，送出vq2，控制模拟开关Q2。
图中A5为TI公司的比较器TL331，A6为缓冲驱动器SN74LVC1G07，A7为非门SN74LVC1G04，D1/D2型号为1N914。电阻R10/R12/R13阻值为5kΩ，R11为1kΩ，R14为7.2kΩ。
使用本发明的方法，门极电压测量可达到百微伏量级。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然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各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量装置，其特征在于，包括：集成门极换流晶闸管、同步控制模块、差分放大模块、延时控制模块，以及采样保持和AD采样模块；
集成门极换流晶闸管的门极G通过电阻R1后连接同步控制模块第一输入端；集成门极换流晶闸管的阴极K通过电阻R2后连接同步控制模块第二输入端；
同步控制模块第一输入端连接模拟开关Q1第一连接端，同步控制模块第二输入端连接模拟开关Q2第三连接端；同步控制模块输出端vq1连接模拟开关Q1第二连接端；同步控制模块输出端vq2连接模拟开关Q2第二连接端；同步控制模块输出端vtri连接延时控制模块输入端；模拟开关Q1第三连接端连接模拟开关Q2第一连接端；
模拟开关Q2第一连接端连接差分放大模块第一输入端；模拟开关Q2第三连接端连接差分放大模块第二输入端；
差分放大模块输出端连接采样保持和AD采样模块第一输入端，延时控制模块输出端连接采样保持和AD采样模块第二输入端。
2.根据权利要求1所述的一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量装置，其特征在于，
差分放大模块第一输入端经过并联的电容C1和电阻R3之后与差分放大器引脚1连接；差分放大模块第二输入端经过并联的电容C4和电阻R6之后与差分放大器引脚8连接；
差分放大器引脚1经过并联的电容C2和电阻R4之后接地，差分放大器引脚8经过并联的电容C3和电阻R5之后接地；
差分放大器引脚5经过电阻R8后接地；电阻R7接于差分放大器引脚5和引脚6之间；差分放大器引脚6作为差分放大模块输出端。
3.根据权利要求1所述的一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量装置，其特征在于，
采样保持和AD采样模块的第一输入端连接采样保持器引脚2；采样保持器接地引脚接地；
采样保持和AD采样模块的第二输入端连接采样保持器引脚7；
采样保持器引脚8连接模拟数字转换器第一输入端，采样保持器引脚7连接模拟数字转换器第二输入端。
4.根据权利要求1所述的一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量装置，其特征在于，
延时控制模块输入端连接单稳态触发器引脚10；单稳态触发器引脚5作为延时控制模块输出端；
电容C5接于单稳态触发器引脚6和引脚7之间；单稳态触发器引脚7串联电阻R9之后与电源VCC连接。
5.根据权利要求1所述的一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量装置，其特征在于，
同步控制模块第一输入端经过电阻R10之后与比较器引脚3连接；同步控制模块第二输入端与比较器引脚1连接；
比较器引脚1和引脚3之间并联有电阻R11，以及反向并联的二极管D1和D2；比较器引脚4和引脚3之间连接有电阻R12；
比较器引脚4经过电阻R13后与电源VCC连接，比较器引脚4经过电阻R14后接地；比较器引脚4与缓冲驱动器输入端连接；缓冲驱动器输出端分别作为同步控制模块输出端vq1和同步控制模块输出端vtri；
缓冲驱动器输出端经过非门后作为同步控制模块输出端vq2。
6.一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量方法，其特征在于，采用权利要求1-5中任意一项所述的一种集成门极换流晶闸管器件门极电压测量装置；
通过同步控制模块控制延时控制模块，通过延时控制模块控制采样保持和AD采样模块；
模拟开关Q1闭合，模拟开关Q2打开，启动采样保持和AD采样模块。
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