CN208334558U - 半导体器件故障检测装置以及变换器 - Google Patents

半导体器件故障检测装置以及变换器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开一种半导体器件故障检测装置以及变换器，所述装置包括：主功率模块、电压处理模块和判断模块；主功率模块包括串联连接的半导体器件和桥臂电感，电压处理模块的输入端与桥臂电感并联连接，电压处理模块的输出端与判断模块连接；电压处理模块，用于采集桥臂电感的电压；将桥臂电感的电压转换为电压状态信号，进行光电隔离处理后输出低电压信号；判断模块，用于获取输出的低电压信号；根据低电压信号确定半导体器件是否发生故障。本实用新型将采集到的桥臂电感的电压转换为电压状态信号，通过判断模块，可实时检测半导体器件的过流、短路、直通等故障；解决了现有的半导体器件故障的检测不具有实时性、普通适用性、高抗扰性以及隔离较差的问题。

Description

半导体器件故障检测装置以及变换器
技术领域
本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种半导体器件故障检测装置以及变换器。
背景技术
半导体器件对导通时的电流上升率敏感，尤其是GTO、GCT、IGCT等器件对导通时的电流上升率更加敏感。为了限制半导体器件导通时的电流上升率，公知的做法是在半导体回路中串联电流上升率限制电抗器。当半导体器件过流、短路、直通情况发生时，需要迅速将过流、短路、直通情况进行检测和判断，进而控制能量有序泄放，有效防止故障扩大。
快速、准确的检测和判断半导体过流、短路、直通是进行产品整体保护的关键点。现有通用的检测方法具有很大局限性：
1)、不具有实时性。检测通道都需要经过滤波、记忆和复位环节，导致桥臂发生直通故障后无法第一时间检测出来，在实际应用中检测不及时将导致不能快速启动保护，从而导致次生故障。
2)、不具有普遍适用性。半导体器件的电流上升率耐受值、桥臂电流上升率限制电抗器数值、检测通道滤波数值之间息息相关。实际应用中各个参数配合设计的复杂度很高。
3)、不具有高抗扰性。现有的检测电路通过电气信号传输，在高压环境下抗扰性较差。
4)、隔离较差。现有的检测电路通过电气信号传输，与高压电路无法实现可靠隔离，安全性较差。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种半导体器件故障检测装置以及变换器，以解决现有的半导体器件过流、短路、直通的检测不具有实时性、普通适用性、高抗扰性以及隔离较差的问题。
本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
根据本实用新型的一个方面，提供的一种半导体器件故障检测装置，所述装置包括：主功率模块、电压处理模块和判断模块；
所述主功率模块包括串联连接的半导体器件和桥臂电感，所述电压处理模块的输入端与所述桥臂电感并联连接，所述电压处理模块的输出端与所述判断模块连接；
所述电压处理模块，用于采集所述桥臂电感的电压；将所述桥臂电感的电压转换为电压状态信号；对所述电压状态信号进行光电隔离处理后输出低电压信号；
所述判断模块，用于获取所述电压处理模块输出的低电压信号；根据所述低电压信号确定所述半导体器件是否发生故障。
根据本实用新型的一个方面，提供的一种半导体器件故障检测方法，所述方法包括步骤：
采集桥臂电感的电压；
将所述桥臂电感的电压转换为电压状态信号；
对所述电压状态信号进行光电隔离处理后输出低电压信号；
根据所述低电压信号确定半导体器件是否发生故障。
根据本实用新型的一个方面，提供的一种变换器，所述变换器包括上述的半导体器件故障检测装置。
本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置以及变换器，将采集到的桥臂电感的电压转换为电压状态信号，通过判断模块，可实时检测半导体器件的过流、短路、直通等故障；解决了现有的半导体器件故障的检测不具有实时性、普通适用性、高抗扰性以及隔离较差的问题。
附图说明
图1为本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置结构示意图；
图2为本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置中电压处理模块结构示意图；
图3为本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置中判断模块结构示意图；
图4为本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置中第一确定单元结构示意图；
图5为本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置中第一确定单元另一结构示意图；
图6为本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置中判断模块另一结构示意图；
图7为本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置另一结构示意图；
图8为本实用新型实施例的时序结构示意图。
本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
为了使本实用新型所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
第一实施例
如图1所示，本实用新型第一实施例提供一种半导体器件故障检测装置，所述装置包括：主功率模块10、电压处理模块20和判断模块30；
所述主功率模块10包括串联连接的半导体器件11和桥臂电感12，所述电压处理模块20的输入端与所述桥臂电感12并联连接，所述电压处理模块20的输出端与所述判断模块30连接。
在本实施例中，半导体器件11和桥臂电感12的数量在此不作限制，可以为一个半导体器件和一个桥臂电感的情形，也可以为两个或两个以上的半导体器件和桥臂电感。当为两个或两个以上的桥臂电感时，此时仅需采集其中一个桥臂电感的电压。
在本实施例中，主功率模块10包括但不限于“I”型三电平拓扑电路、“T”型三电平拓扑电路、“Vienna-Like”三电平拓扑电路、两电平变换器拓扑电路、能量泄放拓扑电路等。
所述电压处理模块20，用于采集所述桥臂电感12的电压；将所述桥臂电感12的电压转换为电压状态信号；对所述电压状态信号进行光电隔离处理后输出低电压信号。
在本实施例中，所述电压处理模块20输出的低电压信号为高电平信号或者低电平信号。
请参考图2所示，在本实施例中，所述电压处理模块20包括高阻分压电路21、比例差分电路22以及光电隔离电路23；
所述高阻分压电路21与所述桥臂电感12并联连接，所述比例差分电路22与高阻分压电路21连接，所述光电隔离电路23的一端与所述比例差分电路22连接，另一端与所述判断模块30连接。
所述高阻分压电路21，用于采集所述桥臂电感12的电压。在本实施例中，高阻分压电路21可由限流电阻和分压电阻构成。
所述比例差分电路22，用于将所述桥臂电感12的电压转换为电压状态信号。具体地，所述比例差分电路22将所述桥臂电感12的电压转换为比较电压，实质上是将高电压转化为与预设电压阀值电压等级匹配的低电压，称为比较电压；并将所述比较电压与预设电压阈值进行比较，根据比较结果输出电压状态信号。
在本实施例中，比例差分电路22并联在高阻分压电路21的分压电阻的两端，可由稳压二极管和滤波电路构成。在其他实施方式中，滤波电路也可以省略。
所述光电隔离电路23，用于对所述电压状态信号进行光电隔离处理后输出低电压信号。
在本实施例中，所述光电隔离电路23包括发光模块和受光模块，发光模块和受光模块通过光纤连接。
发光模块用于将所述电压状态信号转换为光信号；光纤用于将发光模块转换的光信号传输给受光模块；受光模块用于将光纤传输的光信号转换为所述低电压信号。
在本实施例中，通过光电隔离电路23的隔离处理，即电气隔离，可满足安规要求。
所述判断模块30，用于获取所述电压处理模块输出的低电压信号；根据所述低电压信号确定所述半导体器件11是否发生故障。
在本实施例中，所述半导体器件11的故障包括但不限于过流、短路、直通等等。
请参考图3所示，在一种实施方式中，所述判断模块30包括低电压逻辑处理单元31、计时单元32和第一确定单元33；
所述低电压逻辑处理单元31，用于获取所述电压处理模块20输出的低电压信号，根据所述低电压信号生成计时信号；
所述计时单元32，用于根据所述低电压逻辑处理单元31生成的计时信号，进行计时；
作为示例地，若所述电压处理模块20输出的低电压信号为低电平，则开始进行计时；若所述电压处理模块20输出的低电压信号为高电平，则停止计时；反之也可行。开始进行计时到停止计时的时间段即为所述计时单元32的计时时长。
所述第一确定单元33，用于根据所述计时单元32的计时时长，确定所述半导体器件是否发生故障。
请参考图4所示，在该实施方式中，所述第一确定单元33包括第一比较子单元331和第一判定子单元332；
所述第一比较子单元331，用于将所述计时单元32的计时时长与预设时间阈值进行比较；
所述第一判定子单元332，用于若所述计时单元32的计时时长超过预设时间阈值，则判定所述半导体器件发生故障。
请参考图5所示，在该实施方式中，所述第一确定单元33包括计算子单元333、第二比较子单元334和第二判定子单元335；
所述计算子单元333，用于根据所述计时单元32的计时时长计算所述半导体器件的电流；
所述第二比较子单元334，用于将所述半导体器件的电流与预设电流阈值进行比较；
所述第二判定子单元335，用于若所述半导体器件的电流超过预设电流阈值，则判定所述半导体器件发生故障。
请参考图6所示，在另一种实施方式中，所述判断模块30包括充放电电路34、储能电路35和比较电路36；
所述充放电电路34，包括多个选择开关，与电压处理模块20连接，用于获取所述电压处理模块20输出的低电压信号，根据所述低电压信号对储能电路35进行充电或者放电；
所述储能电路35，通常为RC储能电路，用于能量的储存；
所述比较电路36，包括比较器，该比较器设有预设比较阀值的比较电压，通过比较所述储能单元35中的电压与预设比较阀值，根据比较结果确定所述半导体器件是否发生故障。
图7为本实用新型实施例的半导体器件故障检测装置另一结构示意图，所述装置还包括保护模块40；
所述保护模块40，用于若所述半导体器件发生故障，则对所述半导体器件进行保护。
为了更好地理解本实施例，以下结合图8对半导体器件故障的判断过程进行说明：
如图8所示，iL为流过桥臂电感12的电流，UL为桥臂电感12两端的电压。
在t0～t1时刻，当串联桥臂电感12的半导体器件11处于导通过程中时，流过桥臂的电流从0开始线性上升，电流上升斜率为同时，桥臂电感12两端的电压UL的数值等于U2，U2的计算公式为：
其中，U2为t0～t1时刻桥臂电感12两端的电压，lδ为桥臂寄生感抗(特定值)，Vdc为主功率模块中直流侧电压。由于桥臂电感12中L1远远大于l2，故桥臂电感12两端的电压接近半边母线电压。
在t1～t2时刻，当串联桥臂电感12的半导体器件11从关断状态到导通状态的过程结束时，换流也结束，半导体器件11已经完全导通，桥臂电感12的电流的斜率变为 受到主功率模块10中直流侧电压、主功率模块10中输出电感及外部电感等方面的影响，远远小于t0～t1时刻的桥臂电感12两端的电压UL的数值等于U1，桥臂电感12两端的电压U1也远远小于U2。U1的计算公式为：
其中，U1为t1～t2时刻桥臂电感12两端的电压，L1为桥臂电感12的电感(特定值)，为t1～t2时刻流过桥臂电感12的电流斜率。
电压转换子单元221将桥臂电感12的高电压转化为与预设电压阈值Uref匹配的比较电压Ucmp，Ucmp＝kcmp*UL，其中kcmp为电压转换系数。预设电压阈值Uref可以设置为kcmp*U1＜Uref＜kcmp*U2。
比较电压Ucmp与预设电压阈值Uref进行比较，根据比较结果输出高电平信号或者低电平信号，高电平信号或者低电平信号的持续时间可以反应电压U2的持续时间。
如图8所示，当电感电压UL等于U2时，Ucmp大于Uref，光电隔离电路23中发光模块的光信号为发光状态，光纤将光信号传输后送入受光模块，受光模块将接收到的光信号转换为低电平；当电感电压UL等于U1时，Ucmp小于Uref，光电隔离电路23中发光模块的光信号为不发光状态，光纤中无光信号传输，受光模块检测到发光模块中无光信号传输时，受光模块输出为高电平。
因此，当判断模块30中接收到光电隔离电路23输出为低电平时，电感电压UL等于U2，桥臂电感12电流按照斜率上升；当判断模块30中接收到光电隔离电路23输出为高电平时，电感电压UL等于U1，桥臂电感12电流斜率为
判断模块30中的低电压逻辑处理单元31检测到信号由高电平跳变为低电平时，即在脉冲信号的下降沿时，计时单元32开始计时；检测到信号由低电平跳变为高电平时，即在脉冲信号的上升沿时，计时单元32停止计时。
计时单元32的计时时长tc为脉冲信号处于低电平状态的持续时间，即桥臂电感12两端的比较电压Ucmp(kcmp*UL)大于预设电压阈值Uref的持续时间。
判断模块30可以通过两种方式确定半导体器件11是否发生故障：
一种方式是若计时单元32的计时时长tc超过预设时间阈值，判定半导体器件11发生故障。在该方式中，预设时间阈值可根据电气参数计算出。其中的电气参数为母线电压、开关频率、滤波电感、逆变电压等级。
具体地，根据公知的理论，通过母线电压、开关频率、滤波电感、逆变电压等级可以得到主功率模块的最大输出峰值电流Ip，通过Ip及桥臂电感的感值L1，可以计算出桥臂电感12两端电压为时，保持的最大时间为其中，k1为大于1的系数，即为了防止误动作而设置的安全系数，一般设置该系数为1.2。
当计时时长tc大于tu_max时，说明主功率模块输出电流已经超出设计值，半导体器件11处于过流、短路或者直通等故障状态。
另一种方式是根据计时时长tc计算半导体器件11的电流将半导体器件11的电流与预设电流阈值Icomp进行比较，若半导体器件11的电流超过预设电流阈值Icomp，则判定半导体器件11发生故障。预设电流阈值Icomp的计算公式为Icomp＝k2×Ip，其中，Ip为主功率模块的最大输出峰值电流，k2为大于1的系数，即为了防止误动作而设置的安全系数，一般设置该系数为1.2。
半导体器件11电流的计算公式为其中通过桥臂电感参数及母线电压计算得到。
本实用新型实施例的半导体器件故障检测装装置，将采集到的桥臂电感的电压转换为电压状态信号，通过判断模块，可实时检测半导体器件的过流、短路、直通等故障；解决了现有的半导体器件故障的检测不具有实时性、普通适用性、高抗扰性以及隔离较差的问题。
第二实施例
本实用新型第二实施例提供一种变换器，所述变换器包括第一实施例所述的半导体器件故障检测装置。半导体器件故障检测装置可参考前述内容，在此不作赘述。
本实用新型实施例的变换器，将采集到的桥臂电感的电压转换为电压状态信号，通过判断模块，可实时检测半导体器件的过流、短路、直通等故障；解决了现有的半导体器件故障的检测不具有实时性、普通适用性、高抗扰性以及隔离较差的问题。
以上参照附图说明了本实用新型的优选实施例，并非因此局限本实用新型的权利范围。本领域技术人员不脱离本实用新型的范围和实质，可以有多种变型方案实现本实用新型，比如作为一个实施例的特征可用于另一实施例而得到又一实施例。凡在运用本实用新型的技术构思之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本实用新型的权利范围之内。

Claims (8)

1.一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，所述装置包括：主功率模块、电压处理模块和判断模块；
所述主功率模块包括串联连接的半导体器件和桥臂电感，所述电压处理模块的输入端与所述桥臂电感并联连接，所述电压处理模块的输出端与所述判断模块连接；
所述电压处理模块，用于采集所述桥臂电感的电压；将所述桥臂电感的电压转换为电压状态信号；对所述电压状态信号进行光电隔离处理后输出低电压信号；
所述判断模块，用于获取所述电压处理模块输出的低电压信号；根据所述低电压信号确定所述半导体器件是否发生故障；
所述电压处理模块包括高阻分压电路、比例差分电路以及光电隔离电路；
所述高阻分压电路与所述桥臂电感并联连接，所述比例差分电路与高阻分压电路连接，所述光电隔离电路的一端与所述比例差分电路连接，另一端与所述判断模块连接；
所述高阻分压电路，用于采集所述桥臂电感的电压；
所述比例差分电路，用于将所述桥臂电感的电压转换为电压状态信号；
所述光电隔离电路，用于对所述电压状态信号进行光电隔离处理后输出低电压信号；
所述比例差分电路包括稳压二极管；所述比例差分电路还包括与稳压二极管连接的滤波电路。
2.根据权利要求1所述的一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，所述光电隔离电路包括发光模块、光纤以及受光模块；所述发光模块和所述受光模块通过所述光纤连接；
所述发光模块，用于将所述电压状态信号转换为光信号；
所述光纤，用于将所述发光模块转换的光信号传输给所述受光模块；
所述受光模块，用于将所述光纤传输的光信号转换为所述低电压信号。
3.根据权利要求1所述的一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，所述判断模块包括低电压逻辑处理单元、计时单元和第一确定单元；
所述低电压逻辑处理单元，用于获取所述电压处理模块输出的低电压信号，根据所述低电压信号生成计时信号；
所述计时单元，用于根据所述低电压逻辑处理单元生成的计时信号，进行计时；
所述第一确定单元，用于根据所述计时单元的计时时长，确定所述半导体器件是否发生故障。
4.根据权利要求3所述的一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，所述第一确定单元包括第一比较子单元和第一判定子单元；
所述第一比较子单元，用于将所述计时单元的计时时长与预设时间阈值进行比较；
所述第一判定子单元，用于若所述计时单元的计时时长超过预设时间阈值，则判定所述半导体器件发生故障。
5.根据权利要求3所述的一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，所述第一确定单元包括计算子单元、第二比较子单元和第二判定子单元；
所述计算子单元，用于根据所述计时单元的计时时长计算所述半导体器件的电流；
所述第二比较子单元，用于将所述半导体器件的电流与预设电流阈值进行比较；
所述第二判定子单元，用于若所述半导体器件的电流超过预设电流阈值，则判定所述半导体器件发生故障。
6.根据权利要求1所述的一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，所述判断模块包括顺序连接的充放电电路、储能电路和比较电路；
所述充放电电路，用于获取所述电压处理模块输出的低电压信号，根据所述低电压信号对所述储能电路进行充电或者放电；
所述储能电路，用于能量的储存；
所述比较电路，用于比较所述储能电路中的电压与默认比较阀值，根据比较结果确定所述半导体器件是否发生故障。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种半导体器件故障检测装置，其特征在于，所述装置还包括保护模块；
所述保护模块，用于若所述半导体器件发生故障，则对所述半导体器件进行保护。
8.一种变换器，其特征在于，所述变换器包括权利要求1-7任一所述的半导体器件故障检测装置。
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